手机平板

 手机平板     |      2020-03-26

图片 1

图片 2

麻醉过程中药物引起的意识丧失(mLOC)与大脑在解剖学上的宏观连接(跨皮质区域)的破坏有关,但大脑微电路在LOC中扮演何种角色仍不清楚。我们的大脑是如何产生意识的?为什么我们在麻醉过程中会失去它呢?有影响力的理论认为,意识依赖于大脑区分特定感官输入和大量备选方案的能力,类似于能够从众多结果中选择一种。

多年以来,人们试图通过对大脑不同区域进行电击来改善或治疗帕金森等运动障碍或抑郁症等神经障碍疾病。成千上万的神经疾病患者因此得以缓解病情。然而,这项治疗会牵扯到脑部大量未知的神经元。如果能够精确控制某几个控制疾病的神经元或将打开治疗神经性疾病的大门。

在麻醉期间,医学上引起的意识丧失(mLOC)与解剖学宏观尺度上的大脑连接性破坏相关

麻醉期间医学上引起的意识丧失(mLOC)与解剖学上的宏观尺度上的脑连通性下降有关,但尚不清楚脑微电路在LOC中起什么作用。

事实上,利用fMRI在人类身上进行的几项研究已经在解剖学的宏观尺度上,也就是在大脑大区域的水平上,确定了一系列丰富的皮层活动的休息状态。然而,哥伦比亚大学(Columbia University)领导的一个研究小组认为,一个人在任何时候都能辨别一组备选方案的能力应该来源于局部神经元整体(神经回路的功能构建模块)水平上的微观活动模式或微观状态。

近日,哥伦比亚大学的神经科学家首次通过激活老鼠视觉皮层的几个神经元来控制老鼠的视觉行为。这项研究证明了特定的神经元集合在行为中具有因果关系。该研究发表在《Cell》杂志上。

  • 跨越皮质区域 - 然而脑微电路在LOC中发挥的作用仍然不清楚。

我们的大脑如何产生意识?为什么我们在麻醉期间会丢失呢?有影响力的理论表明,意识取决于大脑区分特定的感觉输入和大量其他选择的能力,就像能够在众多结果中选择一个一样。

哥伦比亚大学Rafael Yuste实验室的研究人员首次在小鼠体内使用细胞分辨率双光子钙成像技术研究了麻醉过程中神经元微状态的局部变化。研究小组发现,麻醉通过减少大脑皮层的网络微观状态和神经元整体来破坏神经模式的数量,并在两名受试者的微电极阵列记录中证实了他们的发现。

图片 3

我们的大脑如何产生我们的意识?为什么我们在麻醉期间失去了它?有影响力的理论认为,意识取决于大脑区分特定感官输入和大量替代方案的能力,类似于能够在众多方法中选择一种结果。

确实,使用fMRI对人体进行的多项研究已经在解剖学宏观尺度上,即在大大脑区域的水平上,确定了丰富的皮质活动静止状态。但是,由哥伦比亚大学领导的研究小组假设,一个人在任何时候区分一组备选方案的能力都应植根于局部神经元集合水平的活动或微观状态的微观模式,即功能结构。神经回路的块。

他们近日发表在《Cell Systems》杂志上的研究结果表明,在mLOC过程中,大脑的功能连接在微观和宏观解剖尺度上都被破坏了。哥伦比亚大学Yuste实验室主任、生物科学和神经科学教授Rafael Yuste说:“这项研究很重要,因为它把意识的本质问题提到了神经元回路的层面。它提供了一条线索可以解释由病理学或麻醉药引起的小群神经元协调能力的改变,以及如何导致意识的改变。”Yuste也是哥伦比亚大学数据科学研究所的成员,也是“大脑计划”的发起者之一。

htps://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.045

实际上,一些使用功能磁共振成像的人类研究已经在解剖学宏观尺度上确定了一组丰富的皮质活动静息状态,即在大脑区域的水平。然而,由哥伦比亚大学领导的一个研究小组假设一个人在任何时刻区分一组替代方案的能力应该植根于局部神经元集合水平的微观活动模式或微观状态

哥伦比亚大学拉斐尔尤斯特(Rafael Yuste)实验室的研究人员在此类研究中使用了小鼠体内的细胞分辨率体内双光子钙成像,以研究麻醉期间神经元微状态的局部组成变化。研究小组发现,麻醉会通过减少皮层中的网络微状态和神经元集成来破坏神经模式的数量,并在两名人类受试者的微电极阵列记录中证实了它们的发现。他们的研究结果今天在《细胞系统》杂志上发表,表明在mLOC期间,大脑的功能连通性在微观和宏观解剖尺度上均发生了分解。

一种主流的观点认为,尽管mLOC与功能连接的宏观破坏有关,但局部网络仍在显示类似于清醒状态的动态,但是是以一种孤立的方式显示的,论文的第一作者Michael Wenzel说道:“虽然这表明LOC是由大脑各区域神经活动不协调引起的,但我们发现,在mLOC过程中,局部网络动态发生了显著变化。我们的研究结果表明,意识的丧失可能源于局部微电路的改变,这将在宏观连接方面产生缺陷。”他当时是Rafael Yuste实验室的一名副研究员。

光学遗传技术“照亮”大脑神经元

  • 功能性神经回路的构建块。

这项研究很重要,因为它将意识的本质带到了神经元回路的水平, Yuste实验室主任,哥伦比亚生物科学与神经科学教授Rafael Yuste说。哥伦比亚大学数据科学研究所成员,发起人尤斯特(Yuste)补充说:它提供了一种智慧的线索,可以解释由于病理或麻醉药而导致的小神经元群的协调改变如何导致意识改变。脑计划倡议。

这项研究题为“Reduced Repertoire of Cortical Microstates and Neuronal Ensembles in Medically Induced Loss of Consciousness”,为理解局部神经元整体的动态如何导致意识状态的丧失或出现提供了一个基础。

研究人员使用了新的光学分析工具来识别小鼠在进行视觉观察时的大脑皮质整体。这种叫做“双光子成像”的光学遗传技术具有极高的分辨率,可以精确到单细胞并同时靶向选定的不同神经元来控制小鼠行为。

哥伦比亚Rafael Yuste实验室的研究人员首次在小鼠体内使用细胞解析体内双光子钙成像来研究麻醉期间神经元微状态局部谱的变化。研究小组发现麻醉通过减少皮质中的网络微观状态和神经元集合来破坏神经模式的数量,并证实了他们在两个人类受试者的微电极阵列记录中的发现。今天发表在细胞系统杂志上的研究结果表明,在mLOC期间大脑的功能连接在微观和宏观解剖学范围内分解。

论文的主要作者迈克尔文泽尔说,一种流行的观点认为,尽管mLOC与功能连接的宏观崩溃相关,但本地网络仍显示出类似于清醒状态的动态,但以孤立和孤立的方式显示。尽管这表明LOC源自大脑各个区域的神经活动失调,但我们发现在mLOC期间,本地网络动态发生了巨大变化。我们的结果表明,意识丧失可能是由于局部微电路的改变而引起的,其次是在宏观连通性上产生缺陷。在研究时曾是拉斐尔尤斯特实验室(Rafael Yuste Lab)副研究员的温泽尔补充道。

作者指出,尽管他们希望他们的研究能对神经回路的基础科学有所帮助,但是关于局部回路在意识丧失或获得过程中所起作用的机制研究仍然具有挑战性。

双光子成像技术是脑科学研究的热点前沿技术,可打造全景式脑连接图谱和功能动态图谱。它以更高的分辨率打破尺度的壁垒,将微观神经元与个体行为联系到一起。

这项研究很重要,因为它将意识的本质问题带到神经回路水平,Yuste实验室主任兼哥伦比亚生物科学和神经科学教授Rafael Yuste说。它提供了一个知识分子线程,可以解释如何通过病理学或麻醉剂改变小组神经元的协调可能导致意识的改变,Yuste补充道,他也是哥伦比亚数据科学研究所的成员和发起人大脑倡议。

这项研究在医学上引起的意识丧失中减少了皮质微状态和神经元集合的库,为理解局部神经元集合的动力学如何有助于意识状态的丧失或出现提供了基础。作者指出,关于局部回路在意识丧失或获得中的作用的机理研究仍然具有挑战性,认为他们希望他们的研究能增加神经回路的基础科学。

相较于单光子激发,双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势。值得一提的是,双光子激光器一般都比较轻,可以在小动物的头部颅窗上实时记录数十个神经元与上千个神经突触的信号。

一个流行的观点认为,虽然mLOC与功能连接的宏观尺度分解有关,但本地网络仍然保持与清醒状态相似的动态,但是处于孤立和孤立的状态,该论文的第一作者迈克尔温泽尔说。虽然这表明LOC来自大脑区域神经活动的不协调,但我们发现局部网络动态在mLOC期间发生了显着变化。我们的研究结果表明,意识丧失可能是由局部微电路的改变引起的,而这种改变会产生二次产生。在宏观连接方面存在缺陷Wenzel在研究期间担任Rafael Yuste实验室的副研究员。

图片 4

这项研究降低了医学微观状态和神经元系统在医学上引起的意识丧失的所有方法,为理解局部神经元集合的动力学如何促成意识状态的丧失或出现提供了基础。作者指出,关于局部电路在意识丧失或获得中的作用的机械研究仍然具有挑战性,他们希望他们的研究能够增加神经回路的基础科学。

研究人员使用神经回路的双光子钙成像和双光子光遗传学对小鼠进行实验。使用钙成像可以跟踪确定哪些神经元在活动,使用光遗传学可以随意激活神经元。如此一来,双光子激光器便能以单细胞精度对小鼠的大脑进行钙成像和光遗传学研究。

刺激两个神经元便能控制视觉行为

研究人员先给老鼠注入病毒以便能够观察大脑中的神经元活动模式。接着将小鼠置于双光子显微镜下观察老鼠在小型跑步机上跑步时的脑部活动。在两周的时间里,研究人员训练老鼠看到垂直条状物就舔舐水嘴(a water spout),将老鼠的视觉刺激转化为行为模式。每当老鼠看到视频屏幕上出现漂浮的垂直条状物时他们就会去舔水。

图片 5

当老鼠将视觉刺激与舔舐行为联系起来后,研究人员确定了老鼠大脑里对垂直条纹反应的神经元集合,并使用双光子激光重新刺激这些神经元。这种重复刺激让老鼠舔水的次数超过预期设定,甚至在没有视觉刺激的情况下也会诱发舔水行为,就像是老鼠看到垂直条形物一样。

随后,研究人员进一步确定了控制行为的神经元。只需要刺激两个神经元便可以诱导小鼠的舔舐水嘴的行为。

重现编写神经回路

图片 6

Rafael Yuste 图片来源:哥伦比亚大学官网

该研究的资深作者和哥伦比亚大学生物科学教授Rafael Yuste说:“这是几十年来我实验室最激动人心的工作,因为我们证明皮质组合是行为的关键,我们可以改变动物的行为表现。此外,数据表明神经元集合是视觉刺激的内部表征。”

这项研究在医学上可能有重大意义。以单细胞精确度识别生理学相关的神经元集合可用于重新组织靶神经元之间的活动模式,重新编程错误的神经回路。这有助于治疗像是阿尔茨海默氏症、帕金森病或精神分裂症之类的神经系统疾病。

图片 7

值得注意的是,虽然与任务相关的神经元的精确激活提高了动物的表现,但与任务无关的其他神经元的激活抑制了行为活跃度。

论文第一作者Luis Carrillo-Reid说:“我们还远没有将这些方法用于治疗患者,但这项研究可以为精确地重新编程大脑提供一个路线图,使神经科学更接近临床。”

End

参考资料:

1] In new study, researchers controlled behavior in a mouse's brain with single-cell precision

2] Researchers controlled the behavior in a mouse's brain with single-cell precision

本文系生物探索原创,欢迎个人转发分享。其他任何媒体、网站如需转载,须在正文前注明来源生物探索。