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Nature:人類思考背后的作用機制

日期:2016-03-21 09:37:17

 我們的大腦擁有令人驚奇的連通性,里面擠滿了細胞,它們之間不斷地進行著溝通。這種溝通發生在突觸之間——突觸是神經遞質從一個神經元跳躍到另一個神經元的中轉站,可讓我們思考,以進行學習和記憶。

 

研究人員已經知道,這些突觸往往需要一個刺激,才能讓信息發送穿過神經元分裂。但這個刺激來自哪里,一直都是一個謎。

 

現在,哈佛醫學院的研究人員發現了一個基因,可在一個稱為突觸易化synaptic facilitation)的現象中,通過增加神經遞質的釋放,提供這個刺激。

 

這個基因是突觸結合蛋白7(簡稱syt7),一個鈣傳感器,可動態地增加神經遞質的釋放;每一次釋放都有助于加強神經元之間的聯系,持續大約一秒鐘的時間。據認為,這些快速釋放對于大腦執行短期記憶、空間導航和感官知覺相關計算的能力,是十分關鍵的。

 

哈佛醫學院的神經生物學教授Wade Regehr實驗室的博士后Skyler Jackman帶領的研究小組,完成了這項研究,他們將相關研究結果發表在最近的《Nature》雜志。

 

Jackman說:“我們真的認為,大腦所能做的最重要的一件事情是,改變神經元之間的連接強度。現在,我們有一種工具,可選擇性地關閉突觸易化,我們可以測試關于‘其對于思考和工作記憶的重要性’的一些長期持有的觀念。”

 

突觸易化最初是在70年前由中國生理學之父馮德培院士提出的,他和他的同事們,通利用前幾代科學家可用的先進實驗室技術,找出了突觸強化背后的機制。

 

十幾年前,Regehr懷疑,syt7可能會驅動這個突觸強化過程:這個基因緩慢地打開,然后迅速上升,這也將適應神經遞質的逐步釋放。

 

大約八年前,另一個實驗室的科學家,制備了缺乏syt7基因的“基因敲除小鼠”,從而為檢驗Regehr推測的實驗奠定了基礎。但是,當生長在實驗室的培養皿里時,來自這些基因敲除小鼠的神經元,表現的與其他神經元沒有不同;結果,syt7可以解釋突觸增強的希望破滅了。

 

一年前,Jackman采取了另一種策略。他測試了基因敲除小鼠腦組織中的突觸連接,這些腦組織仍有完整的腦電路,這個實驗更能反映神經元和突觸在活體動物中的作用。

 

Jackman說:“這是驚人的。當我們探討這些連接時,我們看到有一個巨大的不足,基因敲除小鼠中完全缺乏突觸易化,這完全不同于他們的野生型兄弟姐妹。”

 

要確定敲除syt7是否引起了這一變化,Jackman必須找到一種方法,來插入syt 7并恢復其功能。他使用光遺傳學——一種遺傳操縱工具,可用光打開或關閉神經元的連接。他用雙順反子表達增強了這一技術,這種方法將一種光遺傳學蛋白和一個syt7蛋白,包入一種能平均感染所有神經元的病毒。使用這兩種技術,Jackman可選擇性的研究,當syt7被插入一個神經元時發生了什么,并可靠地測量其效果。延伸閱讀:用光遺傳學修改小鼠的記憶;光遺傳學重要成果:用光刺激神經修復。

 

Jackman熱切希望利用這些技術來研究“大腦不同部位中的神經元子集是否影響杏仁核中的恐懼感,或在海馬體中的空間導航能力”。

 

Jackman說:“我們有大腦如何工作的理論,但沒有辦法改變大腦,我們真的不知道如何檢驗這些理論。這給了我們一個新的工具來改變大腦的功能,并看到其如何影響動物的行為。”

 


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