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解码大脑电路如何控制行为

小鼠大脑含有大约8000万个神经元,全部被装入一个大约榛子大小的空间。这些细胞有各种各样的形状和大小,它们之间的连接数量达数十亿 - 至少。

大脑依靠这个电路来解释有关世界的信息,从经验中学习并控制运动。神经细胞在这个狭小的空间中混合在一起形成一个错综复杂的网络 - 这让科学家很难理解哪些细胞负责哪些任务。

现在,在2018年10月31日发表在Nature杂志上的两篇论文中,霍华德休斯医学研究所的Janelia研究园区和艾伦脑科学研究所的研究人员已经研究出两种类型的混合神经细胞如何将劳动力分配到计划和启动动作。通过整合逐个细胞分析神经元的形状,基因活动和功能,该团队已经弄清楚哪些脑细胞负责这些独特但密切相关的工作。

Janelia集团负责人Karel Svoboda表示,结合如此广泛的分析代表了一项重大的技术壮举。他说,这是了解大脑功能的新方法。这项工作需要多个研究所的多个科学家团队合作解决一个问题。斯沃博达认为,这种方法对于帮助研究人员解决神经科学中最复杂的问题是必要的。

“大脑研究的重大进展将越来越多地依赖于这些类型的合作,”他说。

绘制新的神经领域

在世界各地,研究人员已着手努力构建全面的神经图,以揭示大脑的真相。

神经科学家正在从许多不同的角度探索大脑精细的网络,绘制细胞结构,分子特征和神经活动。斯沃博达说,结合这些不同的信息来获得有关大脑功能的见解仍然是一个巨大的挑战。在Janelia,一项长期测绘工作涉及神经元解剖学。MouseLight项目团队的科学家们一直在确定小鼠大脑中神经元的精确结构 - 这是一项艰巨的任务,包括在数千张大脑图像中精心追踪个别神经元的细长路径。艾伦研究所的补充工作是绘制细胞的基因表达,揭示细胞之间的关键相似性和差异,并提供细胞功能的提示。

在这项新工作中,Janelia科学家Mike Economo,Sarada Viswanathan,Loren Looger,Svoboda及其同事与艾伦研究所的科学家们合作,在小鼠新皮质内创建细胞的完整基因表达谱。新皮质是哺乳动物大脑中负责更高认知功能的最大部分。该团队专注于前侧运动皮层(ALM),这是一个参与规划和执行运动的区域。

Svoboda说,Janelia和Allen Institute团队已经合作多年。他的实验室致力于描述ALM神经元如何编码信息和控制运动,艾伦研究所的科学家使用新的单细胞RNA测序技术来分析单个ALM神经元的分子构成。Bosiljka Tasic,Hongkui Zeng和艾伦研究所的同事确定了全新的RNA分子 - 转录组 - 存在于新皮质的23,822个神经元中。这生成了每个细胞中基因被打开的完整图片 - 平均每个细胞约9,000个基因。在庞大的数据集中,研究人员确定了超过130组共享转录组的细胞。

角色定义

接下来,该团队将他们的分子发现与通过Janelia的MouseLight项目获得的结构信息联系起来。

科学家们专注于ALM中的大型神经元,这些神经元将信息带离皮质。在这个神经元子集中,由它们的转录组定义的两组细胞也共享解剖学特征。研究小组发现,他们通往大脑其他部分的途径是截然不同的。一组连接到脑干,其中指导身体进行动作的运动神经元驻留在脑干中。第二组与丘脑相连,丘脑是大脑中的一种中央交换机。

总的来说,这些细胞已经受到神经科学家的关注,因为它们特别容易受到神经退行性疾病的伤害。“但实际上还没有人意识到这些神经元具有不同的味道,可能扮演不同的角色,”Svoboda实验室的博士后研究员Economo说。

为了梳理这些角色,Economo分别针对每个细胞类,操纵和测量活动,因为老鼠执行了一项简单的任务 - 在特定时间向特定方向移动。实验显示,一组神经元,即将ALM连接到丘脑的神经元,对于规划未来的运动至关重要。另一组神经元,即将ALM连接到脑干的神经元,需要启动运动。简单地说,这两种类型的神经元分为两类,并且具有不同的行为,Svoboda说。“这些细胞类型携带不同的信息到不同的大脑区域,以产生不同的功能。”

他说,通过将多个数据流整合在一起,团队能够为复杂的电路问题带来清晰度。

“科学家们总能找到将细胞分成几组的方法,”Tasic补充道,但在这种情况下,这些研究小组清楚地描述了每种细胞类型在塑造运动中的作用。这是挑选皮质复杂性的关键一步。

Svoboda说,由于视觉皮层中100多种分子定义的细胞类型的功能和单独的ALM仍有待探索,科学家们仍有许多复杂性需要解决。

但是,他补充说,随着开发中的新研究工具和大规模绘图工作的加速,这种类型的神经解码很快就会兴起。

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