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创建皮质连接的蓝图

2019-01-30 01:10:58来源:

迈出实现大脑蓝图的第一步,研究人员开发出一种新技术,能够以前所未有的灵敏度追踪错综复杂的神经连接。通过创新地将尖端遗传工具与已建立的单突触追踪技术相结合,科学家们创造了一种强大的新工具 - 交叉单突触追踪(iMT),能够揭开大脑内复杂的电路。

随着一点光,一些光敏化合物和专用纸,蓝图诞生了。作为一个多世纪以来受欢迎的技术图纸,建筑师使用这一重要工具来实现快速再现性以及详细记录的能力。对于构建站点上的工作人员而言,该文档同样重要,因为它包含所有必要的设计信息,所包含的特定类型的组件,并作为详细说明所有内容如何组合在一起的指南。如果有任何疑问,往往快速咨询蓝图解决了问题,并且进展停滞不前。

但是当神经科学家对大脑和内部错综复杂的联系有疑问时会发生什么?甚至还有大脑蓝图这样的东西?尽管有越来越多的工作揭示了大脑中的神经元如何形成连接,但研究人员仍然缺乏详细描述其布线的综合图表。建立这一点有可能大大提高我们对大脑的理解,揭示个体结构的独特电路如何赋予我们非凡的能力,如语言,感官知觉和认知。

马克斯普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI)的研究人员迈出了实现大脑蓝图的第一步,开发出一种能够以前所未有的灵敏度追踪复杂神经连接的新技术。在最近出版的Nature Neuroscience杂志上,Hiroki Taniguchi博士实验室的研究人员证明了该方法无与伦比的特异性和高通量性质。通过创新地将尖端遗传工具与已建立的单突触追踪技术相结合,谷口实验室创造了一种强大的新工具 - 交叉单突触追踪(iMT),能够揭开大脑内精细的电路。

研究一种称为抑制性中间神经元的特殊类型的脑细胞,Taniguchi实验室有兴趣研究这些不同的细胞如何在大脑皮层的各个区域组装成电路。通常,这些细胞的作用是改善,塑造和平衡信息处理,但它们的功能障碍与自闭症,精神分裂症和癫痫等疾病有关。阐明这些抑制电路如何发挥作用,将开创用于诊断和治疗脑部疾病的新方法。妨碍皮质回路阐明的一个具有挑战性的方面是大脑神经元的多样性。

Taniguchi博士解释说,“虽然细胞多样性使得大脑如此独特,但它也为单个回路的研究带来了很大困难。例如,我们在实验室研究的典型抑制电路;一个传递信息的兴奋性主要神经元从一个大脑区域到另一个大脑区域的长距离,以及与之形成联系的多个抑制神经元。乍一看这个模型看起来相当简单,但实际上,有许多不同类型的主要和抑制性中间神经元。每种类型的中间神经元被认为是根据主要神经元在皮层内的位置,功能和深度做出非常具体的连接。没有能力看看每个抑制神经元亚群形成的特定连接,无法形成准确的电路图。

谷口实验室的博士后研究员,该论文的第一作者Michael Yetman博士指出,他们想要一种能够切断大脑细胞多样性的技术,并且只针对神经元的特定亚型。“通过这种方式,我们可以比较和对比每个独特子类型的连接,并研究它们形成的电路类型,”Yetman解释道。

iMT的开发考虑到了这一目标,克服了以前使用的方法限制大脑内部连接的局限性。诸如电刺激和单突触追踪等技术要么效率太低,要么缺乏精确追踪大脑中许多不同细胞类型连接所需的灵敏度。iMT建立在其前身之上,但具有创新的扭曲,这对于传达技术的灵敏度至关重要。

“单突触追踪利用狂犬病毒的一种改良形式,缺乏必需的蛋白质,将病毒限制在一个单一的起始细胞中,并防止其周围其他细胞的感染,”Yetman解释说。“但如果蛋白质和病毒一起仅在起始细胞中表达,那么病毒就能够跳跃并感染附近的细胞。为了研究大脑内的神经元,我们可以在一个主神经元中表达病毒和蛋白质,并观察因为病毒会将突触连接跳到只有直接相连的中间神经元。一旦那里,病毒就会在没有必要蛋白质的情况下卡住,并告诉神经元开始表达荧光蛋白。用显微镜检查,我们可以看到直接连接的细胞到我们的起始神经元。

为了克服这一局限,该团队增加了一个额外的遗传组件,可靠地,特异性地针对中间神经元的单个亚型。一旦病毒到达含有该组分的细胞亚型,就表达第二种新的荧光蛋白。现在,科学家们有能力将中间神经元连接作为一个整体以及特定中间神经元亚型的连接可视化。iMT已经证明是开创性的,揭示了关键抑制亚型的中间神经元电路设计的巨大差异,以及与不同大脑区域的主要神经元形成连接的相同亚型的那些。

“虽然iMT仅处于开发的第一阶段,但它有可能提供更详细的大脑范围的电路图,这对于对抗突出的大脑疾病至关重要,”Yetman指出。“在未来,我们希望进一步推广这项技术,以包括研究神经回路的功能性而非物理性连接的能力。”

iMT和MPFI的神经科学家正在向我们迈进一步,以实现混凝土皮质蓝图的构建。