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Cell 重磅:华人学者也许找到了大脑运作的真正方式

作者:佚名 来源:药明康德 日期:2018-06-29
导读

         Cell 重磅:华人学者也许找到了大脑运作的真正方式

关键字:  大脑 

        今日,顶尖学术期刊《细胞》上发表了一项重量级的研究:来自 Salk 研究所的 Xin Jin 教授团队利用小鼠模型,揭示了大脑控制行为的潜在方式。这个发现也回答了几十年来的一大争论,对神经科学具有重要的意义。

        我们知道,动物的行为有着复杂的神经学基础,但我们对背后的机理却知之甚少。举例来说,当我们学会系鞋带时,我们大脑中的纹状体会指挥一系列动作——我们先要蹲下,抓起鞋带,再打上一个牢固的结。看起来简单无比的几个动作,却难倒了许多神经科学家。一部分科学家们认为,这些动作之间只是简单的触发关系。这就像多米诺骨牌一样,前一个动作的发生,触发了后一个动作;但另一些科学家们则不这么看。他们相信行为也许有一个更为复杂的组织框架,就好像是项目的流程图一样,有着多层调控。

        “几十年来,科学家们一直在争论,大脑如何控制行为,”该研究的负责人 Xin Jin 教授说道:“使用光遗传学,我们能利用光来控制脑细胞的活性,并从而改变动物个体原本想要执行的行为。这些结果表明,行为受到了非常精准的神经控制。”

        在这项研究中,科学家们首先教会了小鼠一套“舞步”。在饲养小鼠的笼子中,科学家们一左一右装上了两根杠杆。如果小鼠按“左 - 左 - 右 - 右”的顺序按下这些杠杆,就会得到奖励。

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        ▲同样是“左 - 左 - 右 - 右”的舞步,研究人员们有两种不同的解释(图片来源:Salk Institute)

        在这些小鼠学习“舞步”的过程中,科学家们也没忘记对它们的大脑进行监控。研究发现,在小鼠按下杠杆时,大脑中的 D1 与 D2 神经元得到了激活。它们在纹状体中占了细胞的大多数,且对于行为的学习与执行有着潜在的作用。

        会不会是这些神经元决定了小鼠的行为呢?为了回答这个问题,科学家们使用光遗传学技术或是白喉毒素,分别去激活和抑制这些神经元。而这个简单的实验,揭示了 D1 和 D2 神经元对于行为的重要控制作用。

        当他们激活 D1 神经元时,小鼠会额外按下一次杠杆。而当 D2 神经元被激活时,小鼠则会“跳过”下一个按杠杆的动作。通过调控这两类神经元,科学家们阐明了大脑如何将行为顺序进行整理和学习。

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        ▲研究人员们揭示了大脑调控行为的复杂方式(图片来源:《细胞》)

        “神经元就像是雪花一样(没有两片是相同的),”该研究的第一作者 Claire Geddes 博士说道:“D1 和 D2 神经元有类似的模式,但它们做的工作并不一样。它们用复杂的模式一同工作,控制行为。”

        综合这些研究结果,科学家们指出,大脑可能有着三层调控机制。最低的一层按顺序执行行为,最高的一层只在行为开始和结束时有所参与,而中间一层则在每个步骤的转化时激活神经元。为了便于我们理解,Salk 研究所的新闻报道里还给我们做了一个类比:最低一层调控就像是低级的管理人员一样,负责项目的每个细节;最高一层调控就好像是公司的高管,主要负责项目的启动和完成。而中间一层就好比是中级管理人员,在两者之间充当沟通者。

        研究人员们表明,他们的工作揭示了神经行为细微而又复杂的一面,有助于解释为何我们能灵活地执行学到的行为。“我对这项成果表示兴奋,它解决了长期以来关于行为神经学的一个根本问题的争论,” Xin Jin 教授评论道:“此外,我们发现了不同类型的细胞如何影响我们的行为,这为许多神经疾病的治疗提供了新的洞见。”

        我们期待这项发现能早日转化为创新疗法。到了那一天,诸如强迫症等无法控制行为的疾病,或许将不再成为困扰。

        参考资料:

        [1] Optogenetic Editing Reveals the Hierarchical Organization of Learned Action Sequences

        [2] How the office org chart in your brain helps to organize your actions

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