Cell發布光遺傳學重要發現
日期:2015-08-31 08:52:12
當一個大作戰部隊廣泛分散在茂密的叢林中準備戰斗時,沒有一個士兵明確知道他的行動對于作戰部隊成敗的影響。但在現代軍隊中,一個可以實時接收廣播的收音裝置便可將每一名士兵聯系起來。由于士兵們無法全面了解整個作戰部隊的狀況,實時的廣播可以讓分散的軍隊了解到正面及負面的消息,這非常的重要。
冷泉港實驗室(CSHL)發現,同樣基底前腦中有一組專門的神經元,將消息廣播至整個大腦皮層,迅速告知了多個分散的腦亞區意外的獎勵或懲罰——科學家們將這稱作為是強化刺激。
新研究探討的神經元是膽堿能神經元(cholinergic neuron),由Adam Kepecs副教授領導的研究小組第一次在活動動物(小鼠)中成功記錄了這些神經元的活動。
膽堿能神經元在大腦中形成了一個神經調節系統——它們以神經遞質乙酰膽堿的形式向廣泛的大腦區域發送了信號。盡管,人們一直認為它們在覺醒、注意及學習中發揮重要作用,由于技術難題無法在體內記錄它們,對于它們在行為中的確切作用仍不了解。基底前腦膽堿能神經元退化和喪失與阿爾茨海默氏癥、年齡相關認知能力下降,以及其他一些認知障礙及癡呆有關聯。
在發表于《細胞》(Cell)雜志上的一篇研究論文中,Kepecs和同事們報告稱利用光遺傳技術鑒別神經元,他們揭示出了中樞膽堿能神經元的功能機制。Kepecs說:“尋找這些神經元非常非常之難,它們在大腦中形成了一個極其重要的系統。直至最近,我們都沒有技術按所需的精確度來處理這一系統。”
在鑒別出膽堿能神經元后,研究小組記錄了當小鼠完成一項要求保持持續注意力的聲音檢測任務時它們的活動。根據它們的反應正確與否,小鼠被給予一滴水,或向面部輕輕吹口氣的“懲罰”。 Kepecs實驗室博士后研究人員Balazs Hangya發現,這些神經元以異乎尋常的速度和精確度,在幾毫秒內對獎懲做出了反應。
為了解釋這種反應研究人員構建了一個計算模型,揭示出信號強度的調節與小鼠發現獎勵或懲罰的意外或驚訝程度成正比。根據這一模型,如果小鼠確定它們的反應是正確的,獎勵會生成一種弱信號。但如果它們不確定,獎勵出乎它們的意料,會生成更強的膽堿能信號。“這告訴了我們,它實際上并非是表明懲罰,而只是表明了懲罰更令人驚訝,”Kepecs說。
Kepecs認為,膽堿能神經元向皮質發送廣播幫助提高了可塑性,賦予了神經元連接適應性,使得學習變為可能。無論這種驚訝記錄的是比預期更好或是更壞的結果或事件,事實就是它出乎意料之外,這對個體是一種明顯的優勢——就像是向叢林作戰部隊中的士兵不斷發送的情報。
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