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通过新图谱识别大脑行动区

来源:环球科学

(图片来源:Gopal Murti博士,Science Source网站)

 

如果你偶然发现一台收音机或电脑又不知道怎么使用,可能你会先看看它的原材料是什么——由哪些部分组成。下一步可能会探究各部分的作用,记住各部分之间如何连接。

这是2018年10月31日在《自然》杂志发表的两篇相关研究中提到的了解大脑的方法。第一项研究利用基因活性的差异来区别小鼠脑中不同细胞类型,与之前已知相比较发现了更多的不同细胞类型。第二项研究专注于几种已被识别的细胞的功能,研究表明这些细胞在控制运动方面起到两种截然不同的作用。

第一项研究由艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)的分子遗传学家Bosiljka Tasic主导,研究主要对小鼠脑皮层(大脑的外层,负责高级认知功能)两个部分的不同脑细胞进行分类。研究人员选取了两个较远处的区域:初级视皮层,大脑中处理来自眼睛的视觉输入的第一站;以及部分运动皮层(前外侧运动皮层,简称ALM),参与人体运动。研究人员运用一项技术分析了23822个细胞,这项技术让他们能够分辨在超过4万5千个可能基因中,哪些真正活跃于个体细胞中。随后他们将有相似基因活性的细胞归为一类,共分出133种不同细胞类型。“这是迄今为止对皮质组成最全面的描述。”Tasic说。

细胞可分为两大类:一类被称为抑制性神经元,通过化学信使γ-氨基丁酸(GABA)发挥作用,抑制附近其他细胞的活性。另一类是兴奋性神经元,通过谷氨酸发挥作用,是大脑中产生神经活动的主要细胞。研究中的一个主要发现是不同种类的抑制性神经元(研究人员发现了61种抑制性神经元的亚型)几乎都可以在研究针对的两个脑区域中被发现。相反,56种兴奋性神经元中有51种是只能在特定脑区被发现的。(研究人员还发现16种不是神经元的细胞类型)“这项里程碑式的研究揭示了先前不被看好的兴奋性皮质神经元多样性”,加利福尼亚大学(旧金山)的神经生物学家Tomasz Nowakowski说道,他是随附评述的共同作者但未参与这项研究。“之前我们都一直认为兴奋性神经元在皮质区域相似度都很高。Tasic和他的同事证明这与事实相去甚远。”

接下来研究团队用荧光标记物从超过2000个细胞中追踪较远处脑区的连接。“抑制性神经元有调节所在脑区行为的局部连接 ,”Tasic说,“而绝大多数的兴奋性神经元可投射至较远处脑区,可能是其他的皮质区或非皮质区。”研究人员发现具有不同长程连接模式的神经元有着不同的基因活动特征,进一步证实了他们鉴定的是不同的细胞类型,可能在大脑中起不同的作用。

第二项研究,由位于弗吉尼亚州的霍华德休斯医学院珍妮亚研究院(Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus)的Michael Economo主导,研究重心是第一项研究发现的一部分亚型的功能。Tasic和同事在前外侧运动皮层的特定层中找到3种亚型,其中包括兴奋性“锥体束”神经。“我们对锥体束神经元非常感兴趣,”Economo说,“因为锥体束神经元是运动皮层的主要传出神经元,将运动皮层和其他区域负责引发和实现运动的重要运动中心连接起来。”(锥体束神经元也是在一些运动神经元疾病中退化的神经元,例如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)。因此了解这些细胞传导的信息和它们参与的环路可以帮助研究人员更好地了解错误出在哪里。)

Economo和同事们发现其中两个亚型与丘脑相连,丘脑是一个中心“枢纽”区域,连回皮层,形成闭环。另一个亚型与髓质相连,髓质是包含可以激活肌肉、协调运动的神经元的脑干区域。这种布局印证了之前的研究中的结果,即交流预备运动(“计划”)神经元和引发、控制运动的神经元之间有差别。“许多迅速、自主、灵活的运动在实现前都有准备期。”Economo说,“准备期让动物的运动更精准迅速。”

建立起环路后,Economo和同事进行小鼠实验来确定神经真正的作用。他们训练小鼠通过喝左边或右边喷嘴里的水来回应两处胡须中的一处受戳。实验过程中研究人员会用很长的柔性电极记录前外侧运动皮层细胞的活动。研究人员用光遗传技术(一项可以让细胞感光的技术,因此可通过光照轻松识别它们)标记了他们关注的神经元。他们之后就可以在小鼠运动时通过观察细胞活动来研究它们在运动中的作用。结果显示某些和髓质相连的细胞在运动初始活性很高,反之一些其他的细胞会在运动中期和末期被激活。

另一方面,与丘脑相连的细胞在小鼠胡须被戳后立即显示出复杂持续的活动模式,但这发生在它们运动之前。“细胞的活动模式取决于受到何种刺激以及小鼠要进行何种运动,”Economo说,“这正是我们设想的的运动计划——随着时间的推移,代表接下来即将发生的运动。”

这些发现表明,第一项研究中识别的三种细胞类型有两种不同的功能:一是参与运动的准备,另外还可以引发和控制运动。“结果显而易见,”Tasic说,“它很好地展示了你可以如何使用这类数据。”研究仅涉及133个细胞类型中目前已被确认的3种,但是第一项研究所提供的遗传同一性图谱的公开数据,能让其他研究人员集中精力研究其他细胞类型,开展类似实验。“这些研究为神经科学的未来提出了一个愿景:全面描述大脑中所有主要细胞类型的特征,系统地解释他们的作用,”Nowakowski说,“这也反映了我们只是位于研究征程的起点而已。“

 

翻译:何雪君

审校:胡佳仪

作者:Simon Makin

本文来自:环球科学
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