Science:迄今为止最详细的大脑连接图
生物通/张迪 · 2015/12/03
一项最新研究揭示了将近2000个成体小鼠视觉皮层神经元的形态和电生理特征,同时也描述了超过11000对细胞间连接。这是迄今为止最为详尽的大脑连接图谱,相关成果公布在11月26日的Science杂志上。


一项最新研究揭示了将近2000个成体小鼠视觉皮层神经元的形态和电生理特征,同时也描述了超过11000对细胞间连接。这是迄今为止最为详尽的大脑连接图谱,相关成果公布在11月26日的Science杂志上,从中科学家们了解了大量新型神经细胞类型,以及目前尚未弄轻蹙的本地连接模式。

“我十分想知道这些作者做了些什么?”来自弗吉尼亚Krasnow先进科学研究所的Giorgio Ascoli(未参与该项研究)表示,“这里每个实验数据和分析内容都是令人印象深刻的杰作。”

来自洛杉矶神经影像实验室的主任 Arthur Toga(未参与该项研究)也表示,“这项研究的工作量令人惊叹,他们采用了一种非常详细,通常用于小样本的分析方法,进行大规模筛查。”

小鼠大脑皮层,也就是大脑的外层部分涉及参与了很多高级大脑功能,如感官知觉、有意识的思维、语言和推理等。为了能确定这些复杂功能从何而来,研究人员必须首先了解这一组织中的神经,包括它们的特征和连接。

皮层中有两种主要的神经类型:兴奋性神经元(锥体细胞)和抑制性中间神经元,其中虽然锥体细胞发现已久,已经进行了许多研究,但中间神经元却存在极其繁多的不同形态,相互之间也没有什么共同点,更不要说它们之间的连接了。

研究中间神经元的困难之处在于从整个青春期到成年的过程中,它们不断的在发育。而且一般来说,电生理分析技术用于幼体脑组织标本研究中,这是由于这种组织比较于成体样品组织更加容易操控和可恢复。

来自贝勒医学院的Andreas Tolias和他的同事接受了这个挑战,“我知道别人一直在谈论这件事,但我下定了决心。虽然这是一份大量的工作,但这也能做完。”

首先研究人员优化了已有关于成体脑组织样品切片和准备的实验操作过程,确保记录真实可靠的电生理数据。然后按下电位记录同时检测每个大脑切片中8个细胞,这种技术也就是八倍全细胞记录(octuple whole-cell recording,生物通译),“这相对困难”来自西雅图Allen脑科学研究所的Hongkui Zeng (未参与该项研究)表示,“世界上只有少数一些科学家能做到。”

这种八倍记录方式不仅能帮助研究人员分析每个细胞的电生理行为,而且也能弄清楚这些细胞是否与邻近的细胞相互交流,以及如何交流的。

最后研究组将中间神经元染色,揭示这些神经元的分枝轴突和树突形态,为了了解这些细胞的形态,文章第一作者江小龙花费了许多许多的时间,在显微镜下进行手工操作。

根据这些细胞的单个特征和电生理性质,研究人员发现了15个不同的中间神经元类型,其中许多都是之前未曾发现的。

研究人员继续分析了这些细胞与其它细胞的连接,结果发现这些中间神经元可以分成三个主要连接亚群,第一个也就是“主要调控子”,与其它所有类型的中间神经元或兴奋性神经元 (锥体细胞) 连接;第二组被称为“锥体神经元-靶向中间神经元(PTIs)”,能与锥体细胞,以及同一家族的其它中间神经元连接——“他们就像兄弟,并且不与表兄弟联系,”Ascoli比喻道。

第三组“中间神经元-选择性中间神经元(ISIs)”,只与其它类型中间神经元相互连接——“只与表兄弟联系,不与亲兄弟联系”。这三种连接方式能解释这一发现中的几乎所有数据。

虽然还可能存在其它连接类型的中间神经元,但是这一发现“提出了一个框架,为不同实验和不同类型的观察分析提供了非常有用的帮助。”

比如说,科学家们认为神经环路连结异常也许是一些精神疾病的根本原因。因此Zeng表示,“这篇论文为我们提出了一个比较疾病环路和正常环路,分析其异常的起点方向。”

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