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Neuron:神经元活动如何产生行为?答案在极个别的神经元中

2017/05/22 来源:生物探索
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导读
近日,来自马克斯普朗克神经生物学研究所的科学家们开发了一种方法,可以让他们识别出那些参与特定运动指令的神经细胞。科学家首次通过人为地激活少数神经元来诱发鱼的行为。了解神经环路的核心成分是破译大脑基本功能下复杂代码的关键步骤。


通过新方法,神经生物学家可以使用光束激活斑马鱼幼体的个别神经元,然后记录神经元活动如何通过大脑传播并产生行为。

我们大脑中的神经元活动如何引发行为上改变?从细胞层面到行为学层面存在巨大的鸿沟。这长久以来都是神经科学的难题。近日,来自马克斯普朗克神经生物学研究所的科学家们开发了一种方法,可以让他们识别出那些参与特定运动指令的神经细胞。科学家首次通过人为地激活少数神经元来诱发鱼的行为。了解神经环路的核心成分是破译大脑基本功能下复杂代码的关键步骤。

近年来,科学家们在理解大脑的结构和功能方面取得了很大进展。显微镜和功能成像的进步使研究人员能够在动物感知感觉刺激或产生特定行为时监测神经元的活动。然而,这些研究往往不能分辨所观察到的活动变化的因果关系。使用光遗传学的方法,科学家可以确认哪些神经元在最终导致行为的事件链中其决定性作用,哪些神经元可以参与其他任务或仅仅是“旁观者”。这一研究领域的一个特殊挑战是神经元网络“相互关联”的惊人程度,激活甚至单个神经元就可能将信号扩散到大部分神经系统。 Herwig Baier及其研究小组的新研究已经清除了两个障碍:现在,研究人员已经能够确定神经环路中细胞组分的因果关系并同时观察活动如何通过整个大脑网络传播并唤起行为。

Martinsried科学家开发了一个工作流程,能够3-D光刺激多个目标神经元,同时成像斑马鱼幼体脑中的网络活动。主要研究者之一,Marco dal Maschio解释说:“斑马鱼小而半透明的大脑是我们新方法的理想选择。”

几年前,Baier实验室的成员确定了斑马鱼脑中的一个小的神经元群体,其激活触发了尾巴的弯曲。另一位主要作者Joseph Donovan解释说:“以前的工作无法高分辨率地记录诱导的活动模式。因此,我们设计了一种新的方法。”

首先,科学家们利用基因工程技术让斑马鱼的神经细胞中表达光控的离子通道。将光线通过皮肤和头骨照射到鱼的头部中能够远程控制它们的大脑活动。然后Donovan和dal Maschio将这样一个斑马鱼幼体放在显微镜上,并将计算机生成的全息图投射到鱼脑中。将鱼无法可见的红外线区域光束(所谓的双光子模式)瞄准一小群单独的神经元。当不同的神经元组合被激活时利用快速相机记录动物的尾巴运动。不断重复这一实验过程,最终研究人员找到了三个神经元,激活它们就足以触发尾部的弯曲。然后,研究小组刺激这三个细胞,同时使用快速3-D成像方法记录扩散到大脑的活动。

从该数据集中,计算机程序识别与诱发行为的不同组分相关的活动模式,并给每个单独的神经元评估“贡献得分”。最后,通过在显微镜下观察其形状,重建具有重要功能的单个神经元。由于鱼和鱼之间的大脑连接非常类似,所以可以通过许多这种实验的综合数据绘制大脑连接图。

“这是科学家首次追踪大脑的行为指令,它从几个初始细胞传播到大脑并最终诱发实际的身体动作。”Marco dal Maschio对这一研究十分高兴。他有充分的理由保持乐观:新的实验工作程序让他和他的同事以前所未有的精细探索大脑的神经环路。由于大脑的功能和结构在鱼类和哺乳动物之间进化保守,因此这些研究所提供的新见解很可能揭示大脑和行为的一般原理。

参考资料:

Linking Neurons to Network Function and Behavior by Two-Photon Holographic Optogenetics and Volumetric Imaging

Optical method links individual neurons and network activity to behaviour in zebrafish

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