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光遺傳學揭示大腦回路新見解

日期:2016-04-22 08:50:51

 迄今為止,科學家們對于“大腦中各個回路是如何在高度分支的網(wǎng)絡中運轉的”,一直都不甚了解。定位這些網(wǎng)絡是一個復雜的過程,需要精確的測量方法。現(xiàn)在,德國馬克斯普朗克生物控制論研究所的科學家,與Ernst Strüngmann研究所和英國紐卡斯爾大學的研究人員一起,使用光遺傳學方法,首次從功能上證明了猴子視覺系統(tǒng)中一個迄今知之甚少的神經(jīng)連接。為此,研究人員對單個神經(jīng)元進行了轉基因改造,使它們對光刺激變得敏感。相關研究結果發(fā)表在最近的《Neuron》雜志。

 

幾十年來,微刺激是激活神經(jīng)元的首選方法,該方法被證明是可靠和準確的。這就是為什么它在醫(yī)學上也被用于深部腦刺激的原因。該研究小組的科學家現(xiàn)在表明,光遺傳學——一種還處于起步階段的生物技術,可提供類似的結果。

 

有了光遺傳學,我們就可以直接用光來影響神經(jīng)元的活動。為此,研究人員借助于病毒對單個神經(jīng)元進行了遺傳改造,以在它們的細胞膜中表達光敏的離子通道。通過藍色光脈沖直接傳遞到大腦,修改后的神經(jīng)元可以被系統(tǒng)地激活。

 

使用這種方法,研究人員研究了獼猴的視覺系統(tǒng)。馬克斯普朗克生物控制論研究所認知過程生理學系主任Nikos Logothetis解釋說:“這種非人類的靈長類動物的大腦,非常類似于人類的大腦。其大腦皮層以同樣的方式組織,因此對我們的大腦研究至關重要。”此外,該靈長類動物也是唯一有所謂的konio細胞和高度復雜視覺處理系統(tǒng)的動物。

 

到達眼睛的信號是通過外側膝狀體核(LGN)轉發(fā)到視覺皮質的。在人類和猴子中,LGN包含六層,并含有magnoparvo-konio細胞。Magno細胞處理包含對比和運動信息的信號,而parvo細胞對于感知顏色非常重要。很少有人了解konio細胞的功能,由于它們在膝狀核內的位置,使它們難以研究。借助于光遺傳學刺激,研究人員現(xiàn)在可以證明,konio細胞與初級視覺皮層有關聯(lián)。

 

馬克斯普朗克生物控制論研究所的Carsten Klein解釋說:“我們選擇研究視覺系統(tǒng)中的這個回路,是因為它代表了一種定義的、高度結構化的系統(tǒng),因為細胞類型之間有著清晰的分離。”除了對視覺系統(tǒng)的結構提供見解之外,該研究還提供了方法論見解,可能與深部腦刺激的光遺傳學的醫(yī)學應用有關聯(lián)。

 

光遺傳學的優(yōu)點——關閉單個神經(jīng)元

 

神經(jīng)元功能的光遺傳學調控,至少在理論上比微刺激更具有細胞特異性,也有一個好處,那就是可以被激活或滅活。如果一個細胞群被從一個回路去除,它所發(fā)揮的作用就可以被識別。因此,不是一個激活蛋白,而是一個抑制蛋白質被運輸?shù)缴窠?jīng)元。如果它被光脈沖刺激,它就能抑制細胞的活性。

 

通過光遺傳學,單個細胞之間的合作也可以被更精確地研究。來自紐卡斯爾大學的Michael Schmid承認光遺傳學的潛力:“這種方法對我們來說是非常有趣的。如果它被進一步細化,我們就可能影像和定位大腦中更復雜的回路和其他各個組件。”

 

光遺傳學這個新興的研究領域,正快速發(fā)展。今年2月份,英國牛津大學的一組研究人員,首次在哺乳動物中引起了聯(lián)想記憶的外部解碼。研究人員在《Nature Neuroscience》雜志上發(fā)表的研究中,描述了他們是如何在測試小鼠中引起聯(lián)想記憶形成,以及他們用來記錄它的技術,使記憶被刪除。

 

最近,美國塔夫斯大學的生物學家,利用一種蛙模型首次證明,他們能夠用光來控制細胞間的電子信號,從而防止腫瘤的形成和并使腫瘤正常化。相關研究結果發(fā)表在2016316日的《Oncotarget》雜志。

 

MIT的神經(jīng)科學家在316日的《自然》(Nature)雜志上報告稱,處于阿爾茨海默氏癥早期的小鼠能夠像正常小鼠那樣形成新記憶,但在數(shù)天后便無法記起它們。此外,研究人員能夠利用光遺傳學(optogenetics)人為地刺激這些記憶,表明只需一點幫助仍然可以找回這些記憶。

 


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