众所周知,大脑皮层是哺乳动物大脑的外层,在许多高级过程中发挥着关键作用,包括语言、记忆和决策制定。虽然无数研究探索了它的结构和功能,但迄今为止证明其神经元动力学及其在行为动物中的细胞类型特征的成像非常困难。 杜克大学医学中心和冷泉港实验室的研究人员最近开展了一项研究,旨在监测和更好地了解行为小鼠大脑皮层的神经回路动力学。他们的研究结果表明,虽然小鼠从事不同的行为,但大脑皮层中不同的谷氨酸能投射神经元类型表现出不同的激活模式。 “我们研究的主要目的是了解支持大脑功能的神经回路机制,特别是大脑皮层的功能,”进行该研究的研究人员之一乔什·黄告诉 Medical Xpress。“当我们问这个问题时,下一个明显的问题是我们捕获的细胞类型分辨率是什么,因为细胞是形成连接并具有不同功能的神经回路的基本元素。” 到目前为止,许多检查大脑皮层的研究都使用了功能性磁共振成像 (fMRI),这是一种检测和测量与大脑活动相关的血流微小变化的技术。尽管它在某些情况下具有价值,但 fMRI 以较差的空间和时间分辨率捕获大脑活动。因此,它不是深入检查神经回路动力学的理想选择。 最近,神经科学家开始使用广域成像来研究大脑活动。这是一种很有前途的成像方法,它依靠基因编码的传感器来更精确地检测大脑活动的变化。 “虽然广域成像带来了重大进展,但它通常只能用于对所有神经群体进行成像,”黄解释道。“因此,它并没有解决神经元细胞类型的这些基本要素,尤其是投射神经元类型。我们研究背后的动机是使用我们最近建立的一套系统的遗传工具来研究大脑皮层,这些工具可以解决不同的类别以及具有细胞类型分辨率的谷氨酸能投射神经元类型。” 在他们的实验中,Huang 及其同事使用一系列遗传和成像技术测量了小鼠大脑皮层神经元的活动。首先,他们使用基因工程来确保他们能够专门监测不同投射神经元类型的活动。 Huang 说:“我们相对系统地这样做,以靶向投射到皮层内、皮层外到皮层下目标和丘脑的投射神经元。” “这里的关键是不仅要观察一种细胞类型,还要观察多种细胞类型,以一种跨细胞类型进行筛选的方式。我们将其与广域成像相结合,而不是仅仅观察一个区域,假设该区域是什么涉及行为,但要同时观察许多领域。” 这项研究的一个关键成就是,该团队能够应用广域成像技术来研究清醒行为小鼠在从事不同活动时的不同投射神经元类型。然而,与之前的研究相比,他们系统地完成了这项工作,分辨率更高,从而能够区分细胞类型的功能。 “我们能够实现的,我认为以前没有实现的是实时观察神经元回路的基本元素,投射神经元类型及其动态以及全球皮层网络中行为动物的动态,”黄说. “这使我们能够揭示皮层网络动力学的细胞类型基础,增强我们对皮层组织方式的理解。” 迄今为止,已知大脑皮层由具有不同功能的不同区域组成。这些区域被发现具有相似的神经元回路组织,因为它们包括所谓的“典型”皮质微回路,即以相似方式组织的垂直神经元组。过去的研究结果表明,这些电路处理信息并与具有类似电路组织的其他大脑区域进行通信。 “这些跨越不同皮质层的神经元列被认为是结构性的,在某些情况下,功能性单位,”黄说。“这种观点基于过去收集的解剖学和功能性证据,长期以来一直非常有影响力。令我们惊讶的是,我们在这里发现的是,当你沿着垂直深度观察投射神经元类型时,这些类型的神经元具有相当明显的动态模式。” 本质上,Huang 及其同事确定了并不总是作为一个单元发挥作用的投射神经元类型,特别是端脑内 (IT) 和锥体轨道 (PT) 群体。 IT 神经元投射到大脑皮层内的其他皮层区域。另一方面,PT 神经元将信息发送到大脑皮层之外的皮层下大脑区域。 “在许多情况下,虽然并非总是如此,但这两种广泛类型的神经元似乎以不同的空间和时间模式起作用,”黄说。“这些观察结果明显偏离了更传统的柱状神经元组织的历史概念,并表明这些细胞类型也形成了单独的处理和输出网络。” Huang 及其同事收集的研究结果表明,IT 和 PT 投射神经元群体有时彼此独立运作,有时又作为一个整体共同运作。它们的“操作模式”可能取决于老鼠或其他哺乳动物当时在做什么,以及相关的大脑状态和行为需求。 Huang 解释说:“通过细胞类型分辨率来观察皮质动力学的特定功能将真正让我们发现更细粒度的原理。” “不同的皮质区域涉及行为功能,因为这些细胞类型也有我们现在可以测量的不同输入和输出,我们的技术可以真正帮助我们在更精细的水平上检查神经回路。” 目前的这项研究提供了关于控制大脑皮层功能的神经动力学的新见解。将来,其他团队可以应用他们使用的这些遗传技术来进一步研究这些动态,从而有可能带来令人兴奋的新发现。 “在当前的论文中,我们主要检查了两种广泛的细胞类型,即在皮质内投射的细胞和在皮质外投射的细胞,”Huang 说。“实际上,由于有不同的细胞类型投射到皮质和皮质下区域的不同子集,因此粒度要大得多。我们现在正在试验其他遗传工具,这些工具将使我们能够看到更精细的分辨率,并有望拼凑出一个皮质网络认为这不仅在广泛的人口中,而且在更精细的人口水平上,包括解剖连接与功能活动相结合。” 在接下来的研究中,研究人员还计划应用广角成像技术来研究大脑其他区域的神经回路,包括更多的细胞类型。此外,他们还想尝试可以对同一活体动物的两个细胞群进行成像的方法。 “在我们最近的研究中,我们通过观察一只老鼠的一个种群,另一只老鼠的另一个种群,然后将我们的发现整合在一起,推断出我们的结论,”Huang 补充道。“在我们的下一项工作中,我们计划使用不同的光谱标记同一只动物的两个细胞群:一个带有绿光,另一个带有基于红光的钙传感器。这将使我们能够观察两个相互作用的细胞群并同时检查它们,这应该会给我们带来更高的精确度和新的洞察力。” |
Powered by Discuz! X3.5
© 2001-2025 Discuz! Team.