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由斯坦福大学研究人员率先推出的新技术将大脑电路与警觉联系起来

斯坦福大学的研究人员首次将几个脑电路连接起来以提高警觉。

这些发现增强了科学家对驱动警觉的力量的理解,这是一种对生存至关重要的大脑状态,通过显示整个大脑的不同细胞类型一起产生这种状态。

与警觉性缺陷有关的问题包括睡眠不足,抑郁症,以及脑创伤引起的嗜睡,而焦虑,
躁狂和创伤后应激障碍等症状往往表现为过度警惕。

研究人员采用了尖端技术,使他们能够同时监测大量神经细胞在大脑中的活动,然后以分子细节表征目标细胞。这种新的方法可以让科学家记录任何细胞类型的活动,而不需要为每个新的实验生产特殊的,基因修饰的动物。

在网上公布11月2日的一项研究细胞,卡尔·德斯罗斯中,霍华德休斯医学研究所斯坦福大学生物工程和精神病学及行为科学研究员兼教授及其同事描述了他们如何设法观察幼虫斑马鱼大脑中几乎所有神经细胞或神经元的活动,同时追踪生物的反应时间刺激。(对人类和其他动物的研究表明,当受试者更加警觉时反应时间更快)。然后将每个神经元的活性与该神经元的特定细胞类型联系起来。Deisseroth和他的同事利用这个大脑广泛的拉网,能够确定几个不同的神经元回路的身份,以前没有怀疑与警觉有关。

该研究的主要作者是博士后Matthew Lovett-Barron博士。

事实证明,警觉不仅仅涉及一个单独的开关。在这项新研究之前,脊椎动物的警觉被认为主要由一组叫做蓝斑的大脑结构发出的一组神经元控制,并辐射到整个大脑区域。

将发现延伸至小鼠

重要的是,研究人员将他们的发现扩展到了老鼠身上,证实了与斑马鱼警觉性相关的同样的电路在哺乳动物中的行为也是相似的,这些哺乳动物的祖先与数亿年前斑马鱼的祖先分裂。“陈卫东教授的Deisseroth说:”在进化时间这样长的时代,这种紧密的保持警戒的促进电路 - 比人类和鼠标系统更长久的时间被分开 - 强烈暗示与人类的关系也是如此。

斯坦福大学的科学家们称他们开发的新方法MultiMAP,这是分子和活性表型多重比对的简称。它让他们跟踪斑马鱼大脑中几乎每个神经元的活动,然后确定每个感兴趣的神经元的细胞类型 - 决定哪个神经元回路参与诱发大脑状态(如警觉)的关键步骤。

Deisseroth说:“我们在生命中观察了鱼的大脑中的每一个神经细胞,当这些细胞正在积极开火时,我们知道哪些细胞在我们知道鱼最为警觉的时候是最活跃的。“然后,用固定剂保存鱼的脑组织,而不改变鱼头部细胞的相对位置,我们可以用分子探针瞄准这些神经元,并确定它们的细胞类型。  

特别是调查人员想要探索大脑神经调节电路的活动。不同于他们更多的二进制表亲 - 大脑中约98%的神经元通过刺激或抑制下游神经细胞起作用 - 神经调节神经元集群发出投影,分布在整个大脑中,并且不像开关上的颜色那样起作用艺术家的调色板。而不是激发或抑制,而是通过分泌物质来增加细微差别,使得兴奋性和抑制性神经元在各种情况下或多或少地可能起火。

不同类型的神经调节神经元不仅可以通过它们分泌的不同种类物质(如多巴胺,乙酰胆碱和5-羟色胺)进行区分,还可以通过各种生物标志物(例如出现在一个而不是另一个神经调节细胞类型中的蛋白质)来区分。

Deisseroth的研究小组看到的只有7-10天的时间 - 他们的身体只有几毫米长,仍然相对透明,但能够执行复杂的行为。这个特征,连同科学家制作的一些技巧,允许直接在大脑中对神经活动进行光学检查。

生物工程的鱼

鱼已被生物工程,以便神经元内的钙通量 - 一个极好的代理冲动传导内的细胞 - 触发荧光信号,可以采集和记录通过高倍显微镜。研究人员通过将每只小动物嵌入琼脂糖凝胶中来限制鱼的头部。他们将凝胶从鱼的尾巴上切下来,这些鱼的运动将是他们实验的关键。

我们越了解大脑状态下神经元的状态,就像警觉一样,我们越了解大脑状态概念本身。
为了测试警觉性,研究人员用一种暗示着接近捕食者的视觉刺激呈现鱼。这引起了一种本能的尾巴反应,因为鱼试图摆脱即将到来的危险。每个34个单独的幼体斑马鱼反复暴露于隐约捕食刺激。测量每次暴露和随后鱼尾摆动(动物的反应时间)之间所经过的时间。在每种情况下,捕获和记录在刺激之前的数万个神经细胞内的荧光代表活性。

在人道安乐死并将鱼组织保留在固定剂中之后,研究小组将荧光标记的分子探针指向动物的神经元并对结果进行成像。使用算法,他们能够将来自活斑马鱼实验的神经活动数据与随后从相同鱼类提取的细胞识别数据对齐。

Deisseroth和他的同事确定了多个解剖学和生物化学上不同的神经元群体,这些神经元在鱼类对即将到来的食肉动物刺激的最快反应之前是最活跃的。其中之一是源于蓝斑的分泌去甲肾上腺素的人群,早已众所周知,其参与警觉性。这是令人放心的,Deisseroth说,因为它表明这种方法是有效的。

但是网络也阻碍了神经元的其他一些神经调节细胞群,包括释放乙酰胆碱,血清素,多巴胺和肽CART,生长抑素和神经肽Y的细胞。虽然所有这些人口的活动水平与警觉性相关,但他们并没有完全相互锁定,表明每个人口都有其自己略有不同的工作。

以他们在斑马鱼中的发现为指导,研究人员然后针对相当复杂的鼠脑中的神经元群体。为了测试小鼠的反应时间,他们训练小鼠舔响应特定的色调提示; 当老鼠这样做的时候,他们得到了一滴饮用水。

Deisseroth的研究小组在他们看到的这些鱼的等效回路中几乎精确地观察到了相同的活动模式。

科学家们在老鼠身上又迈进了一步:他们使用光遗传学 - 一种在Deisseroth实验室开发的技术,它允许神经元在开关的弹动下被一束脉冲光激发或抑制 - 通过各种激活或抑制一个或另一个人群中的神经元,只有一部分电路可以单独提高警觉性。一个是来自蓝斑的一组神经元; 这个集合通过分泌物质去甲肾上腺素运作。另一个是被称为Cinger神经元的小组,称之为Edinger-Westphal核,这个神经元以前被称为对可卡因和安非他明有反应。第三个是一组分泌乙酰胆碱的神经元,位于一个称为外侧背侧皮的深脑结构中。其他与警觉性相关的细胞类型并不直接影响行为; Deisseroth说,他认为这些神经调节电路,而不是直接触发警觉,报告其状态其他脑电路。

Deisseroth说,新的发现打开了一条全新的进一步探索之路。“我们越了解像大脑状态一样的神经元景观,就越能理解大脑状态概念本身,甚至可以帮助设计大脑状态的有针对性的临床干预措施。”

Deisseroth是  斯坦福大学神经科学研究所  和  斯坦福大学Bio-X的成员。

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