简单的数学计算，复杂的脑部环路

zhixun

2012-08-14 14:34:06
科学家研究了一些神经元彼此抑制的机制。这项研究对自闭症和其他神经疾病的疗法研发会有帮助。

脑部往往有数十亿到数千亿个神经元，并形成复杂的环路，可以让我们感知世界，控制运动以及作出决定。解码这些环路的机理对于我们来说十分重要，因为这样我们才能理解脑部是如何工作的，神经疾病是如何产生的。

麻省理工学院的神经生物学家现在已经朝着这个目标前进了一大步。在8月9日的一期《自然（Nature）》杂志上，他们报道了两大类脑细胞抑制神经活性的数学方法：一种是用减法，从总体活性中去掉一部分；而另一种用的是除法。

这篇《自然》论文的通讯作者Mriganka Sur是Paul E. Newton神经科学教授。他说，“这些是非常简单，但意义却很深远。神经科学的一个重大的挑战是把大量的数据概念化，并将它们放进可以用计算语言表达的框架内。不同的细胞类型如何完成目标，一直是一个未解之谜。”

相关的研究可以帮助科学家对那些被认为是脑部抑制和兴奋失衡的疾病有更深刻的了解。这些疾病包括自闭症（autism），精神分裂症（schizophrenia）和双向障碍（bipolar disorder）

这篇论文排在前面的作者是研究生Caroline Runyan和博士后Nathan Wilson。麻省理工学院11级的本科生Forea Wang对研究作出了贡献，也在作者名单之列。

完美的平衡

脑中有数百种不同类型的神经元，大部分是兴奋神经元，还有一小部分是抑制神经元。所有的感觉过程和认知功能都由这两种神经元之间精确的平衡而产生。兴奋和抑制之间的失衡已被认为和精神分裂症以及自闭症有关。

Sur说，“现在已经有越来越多的证据表明，很多神经精神疾病的核心原因是神经系统中兴奋和抑制作用发生了改变。”Sur还是麻省理工学院Simons社会脑研究中心（Simons Center for the Social Brain）。“这其实说得通，因为这些疾病并非由脑部构建的基本方式而导致。它们的起因都是脑部环路出现了微秒的失调，并对脑部系统造成了特异性很强的影响（比如对社会脑的影响）。”

在这项新的《自然》论文中，研究人员考察了两种抑制神经元的主要类型。一种神经元名是parvalbumin表达（PV）中间神经元，标靶于神经元的细胞体上。另一类是somatostatin表达（SOM）中间神经元，标靶在的树突上。树突是神经元上细小的分叉，可以投射在其他的神经元上。PV神经元和SOM神经元都可以抑制一种名为椎体细胞（pyramidal cell）的神经元。
为了研究这些神经元是如何向其他细胞施加影响，研究人员发明了一种方法，可以特异性的激活PV神经元或SOM神经元。他们随后观察这些激活神经元的标靶椎体细胞的反应。整个研究过程使用的都是活体脑部。

首先，研究人员用遗传方法编码了小鼠的PV或SOM细胞，让细胞可以生产光敏蛋白通道视紫红质（channelrhodopsin）。当通道视紫红质嵌入神经元的细胞膜时，就能控制离子流进出神经元，改变电学活性。就这样，研究人员可以通过向这些神经元射光的方法激活它们。

研究团队还在椎体细胞内是用了钙成像的方法。钙的水平可以反映细胞的电活性，让研究人员知道研究对象的细胞活性被抑制细胞减弱了多少。

Runyan说：“知道大约三年以前，记录脑细胞的工作仍很盲目，逮到哪个细胞算哪个。但是现在我们已经可以选择记录的对象，并且对特定的细胞类型进行操作。”


分解脑部环路


在这项研究中，科研人员希望知道激活抑制神经元以后，会对视觉输入的脑部处理过程产生什么样的影响。视觉输入包括水平、垂直和倾斜的光块。当这样的视觉刺激出现以后，眼睛中的单个细胞会对光点产生反应，并把信号传输到丘脑中，丘脑又会把信号转至视觉皮层处。信号在脑中传输的过程中始终保持空间编码，所以水平的光块可以激活脑部对应的多排细胞。

抑制的信号同样也可以作用于那些细胞，微调它们的反应，防止刺激过度。麻省理工学院的研究团队发现，这些抑制信号有两种截然不同的效果：SOM神经元的抑制可以作为减数，从标靶细胞活性总和中减去一部分活性；而PV神经元的抑制作用可以作为除数，去除标靶细胞的总活性。

Wilson说：“既然我们终于找打了可以分解脑部环路的技术，我们就能发现环路的每个组分都干了些什么。我们还发现，自然在设计脑部网络时，有着相当深刻的逻辑。”

这两种抑制类型对细胞反应的范围也有不同的影响。每个感觉神经元只对特定的刺激类型有反应，例如某个亮度范围或方位。当活性除以PV抑制时，标靶细胞仍然会对相同范围的输入产生反应。与此相反，如果活性减去SOM抑制，让细胞产生反应的输入范围会变得更加狭窄，细胞的选择性也变得更强。

冷泉港实验室的神经科学教授Tony Zador表示：“从概念上说，减法和除法可以很好地区分抑制类型。像除法和减法这样简洁优美的理论可以和生理内容从根本上形成对照，这点让人感到很高兴。”Zador并没有参与这项研究。

增强PV神经元的抑制还可以改变一种名为反应增益（response gain）的特性。反应增益是指细胞在面对相反变化时产生反应的测度。SOM神经元的抑制并不会改变反应增益。

研究人员相信，这种环路类型会在整个脑部中反复出现，并参与到其他类型的感官知觉和更高级的认知功能中。

Sur的实验室目前正计划研究PV和SOM抑制神经元在小鼠自闭症模型中起到的作用。这些小鼠缺乏MeCP2基因，并因此患有蕾特氏症(Rett Syndrome)。这是一种罕见的疾病，让患者出现和自闭症相似的症状，还会导致其他神经和生理的损伤。研究人员计划利用他们新发展出的技术，检验该病以神经元抑制功能缺乏为基础的假说。