Science :科學家揭秘大腦神經元迴路的連線規則

2020-11-30 生物谷

圖片來源：medicalxpress.com

2015年12月3日 訊 /生物谷BIOON/ --我們的大腦中包含著數億萬個神經元，而這些神經元又通過數百萬億個突觸進行連接，儘管揭開這些連接看似不可能完成的任務，但近日一項刊登在國際著名雜誌Science上的研究論文中，來自貝勒醫學院的研究人員就成功完成了這項任務，研究人員在文章中成功解析了小鼠大腦皮層中神經元的連接方式，大腦皮層是大腦的外層結構，其被認為主要負責機體認知和感覺功能的發揮。

研究者希望這種複雜的連接方式可以分解為多個指導大腦皮層網絡裝配的小分支，而大腦皮層中局部迴路的基本連線可以通過一系列的互連規則(Connectivity Rules)所捕獲，這些規則在大腦皮層中處於不斷循環中。Xiaolong Jiang博士表示，這是迄今為止我們所能嘗試的繪製成熟大腦皮層線路圖的最深入的一項研究，我們想確定在大腦皮層中發現的細胞類型以及如何創建局部迴路的連線圖。

文章中，利用先進的組織切片方法以及恢復神經元形態的特殊技術，研究者鑑別出了15種抑制性神經元，這種神經元可以抑制大腦迴路中的電活性，利用同步全細胞記錄方法，研究者們就可以對神經元間的電生理特性進行描述，同時繪製出其連接圖譜，並且闡明這些神經元如何同附近的興奮性神經元之間進行連結的。

Jiang表示，我們在多種形態分類的神經元間檢測了超過1.1萬對連接，發現了可以控制神經元間連接的三種基本準則，首先有兩種神經元可以在大腦局部迴路中抑制所有類型的神經元活性，其次特性類型的抑制性神經元可以具有選擇性地進行連接並且關閉某些中間神經元，而且並不會同其它興奮神經細胞進行溝通，第三種原則就涉及了很多抑制性神經元，其可以優先抑制自身類型神經元的活性，同時與興奮性神經元進行連接。

另一位研究者Andreas Tolias教授表示，我們發現這些規則存在於大腦皮層的不同皮層結構間，本文研究發現，複雜的大腦皮層連接可以被拆解成為多種小類的連接規則，從而為理解局部大腦皮層的迴路連接提供了一定思路，當然也可以幫助理解大腦的工作原理。

此外，研究者還希望可以幫助理解多種神經性疾病，比如自閉症譜系障礙及癲癇症的發病機制，從而為開發新型動物模型或新型療法來治療上述疾病提供希望和研究基礎。（生物谷Bioon.com）

本文系生物谷原創編譯整理，歡迎轉載！轉載請註明來源並附原文連結。更多資訊請下載生物谷APP.

Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex

Xiaolong Jiang1,*, Shan Shen1, Cathryn R. Cadwell1, Philipp Berens1,2,3,4, Fabian Sinz1, Alexander S. Ecker1,2,4,5, Saumil Patel1, Andreas S. Tolias1,2,*

The intricate microcircuitry of the cerebral cortex is thought to be a critical substrate from which arise the impressive capabilities of the mammalian brain. Until now, our knowledge of the stereotypical connectivity in neocortical microcircuits has been pieced together from individual studies of the connectivity between small numbers of neuronal cell types. Here, we provide unbiased, large-scale profiling of neuronal cell types and connections to reveal the essential building blocks of the cortex and the principles governing their assembly into cortical circuits. Using advanced techniques for tissue slicing, multiple simultaneous whole-cell recording, and morphological reconstruction, we are able to provide a comprehensive view of the connectivity between diverse types of neurons, particularly among types of γ-aminobutyric acid–releasing (GABAergic) interneurons, in the adult animal.

相關焦點

  • Science新研究繪製出大腦皮層抑制性神經元迴路的發育圖譜
    如何構建比目前已知的任何事物都要複雜的神經元網絡？在一項新的研究中，來自德國馬克斯-普朗克大腦研究所的研究人員繪製了抑制性神經元迴路的發育圖譜，並報告發現了獨特的迴路形成原理。他們的發現使得科學家們能夠監測神經元網絡結構隨時間的變化，從而捕捉到個體成長和適應環境的時刻。
  • 科學家揭秘大腦迴路對機體健康的重要性!
    研究者表示，事實上，這些神經元會促進類似獎勵的行為，極低的飲酒量會激活這些細胞，而這些神經元的活化會導致動物在沒有廣泛飲酒經驗的情況下飲酒；研究者希望通過了解該神經迴路的功能，我們可以更好地預測從輕度飲酒過渡到酗酒以及酗酒障礙的人們大腦中發生了什麼。
  • 聚焦神經元重要研究 解讀大腦奧秘
    【3】Science：來自底板神經元的信號傳遞誘導新皮質神經元經歷形態變化doi：10.1126/science.aar2866 doi：10.1126/science.aat4587在一項新的研究中，來自日本幾家研究機構的研究人員在哺乳動物中發現發育中的新皮質神經元經歷從多極形態到雙極形態的形態轉變，而且這種形態轉變至少部分是由於大腦發育期間的神經元遷移信號傳遞
  • Science:大腦中的神經元是如何連接的?
    2019年5月7日 訊 /生物谷BIOON/ --大腦由大量相互連接的神經元組成。數十年來，研究人員對神經元細胞的複雜模式如何在發育過程中發展成功能迴路的過程十分感興趣。如今，研究人源已在果蠅中發現了一種新的信號傳導機制，它指明了大腦中神經元迴路的形成。
  • 新發現:大腦迴路中的神經元控制著壓力下的失眠狀態
    新發現：大腦迴路中的神經元控制著壓力下的失眠狀態 2020-09-14 21:52 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
  • 你渴不渴,大腦特殊「渴感迴路」神經元說了算~
    科學家近期對老鼠大腦活動的深入研究或許能為這些問題提供答案。在我們的大腦裡有一個特殊的「渴感迴路」（thirst-circuit），食物可以在很短時間內激活這個迴路，而口腔溫度降低則可以關閉這一迴路。此前科學家已經知道，這些大腦細胞可以刺激飲水活動，比如當脫水導致血液濃度升高的時候。新得研究結果顯示了一種更快的反饋模式，可以預測身體未來對水的需求。
  • 封面論文:鳥類為何這麼聰明,揭秘它們大腦的特殊之處
    封面論文：鳥類為何這麼聰明，揭秘它們大腦的特殊之處 2020-09-29 20:57 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
  • Neuron:揭秘小膠質細胞在大腦中塑造神經迴路的分子機制
    2020年9月21日 訊 /生物谷BIOON/ --日前，一篇發表在國際雜誌Neuron上的研究報告中，來自冷泉港實驗室等機構的科學家們通過研究表示，免疫細胞在微調大腦神經迴路方面或許扮演著意想不到的角色，稱之為小膠質細胞的免疫細胞不僅能夠保護大腦免於感染和炎症，而且還能幫助塑造發育中的大腦迴路，本文研究結果表明，小膠質細胞還能指導神經元對感覺線索產生反應從而修飾自身的連接性
  • Science:重磅!發現控制大腦可塑性的基本規則
    Sur說，他很高興，但並不感到吃驚的是，他的團隊在諸如大腦這樣的複雜系統的核心中發現了一種簡單的基本規則，在那裡1000億個神經元中的每一個都有上千個不斷發生變化的突觸。Sur說，「複雜系統的集體行為總是有簡單的規則。
  • 大腦的獎賞迴路
    大腦會自發地優先處理能夠激活獎賞迴路神經元的行動——賽車手在轉彎處看到了充滿誘惑的廣告，圖片刺激了他的獎賞迴路。獎賞迴路主要由伏隔核、紋狀體和眶額皮質構成。伏隔核劇烈活動，鼓勵賽車手把注意保持在圖片上。
  • Science:首次發現一種皮質-腦幹迴路控制和預測強迫性飲酒行為的產生
    然而，科學家們還不明白為何有些人容易出現飲酒問題，而另一些人卻沒有。如今，在一項新的研究中，來自美國沙克生物學研究所和麻省理工學院等研究機構的研究人員發現了一種控制小鼠飲酒行為的皮質-腦幹迴路（cortical-brainstem circuit），並且它可以作為一種生物標誌物用於預測小鼠日後產生的強迫性飲酒行為。在未來，這些發現可能會對理解人類的酗酒和酒精成癮產生潛在影響。
  • 發現神經元連線
    在現代人工神經網絡問世之前，研究人員會人工設計好的特徵（高維向量表示）。現在已經可以通過ANNs學習良好的特徵，但必須指定ANN的體系結構。 因此，神經元結構搜索（NAS）最近大量的工作都集中在學習ANN的結構上。但是，NAS仍然是在一組人工設計的構建塊中進行搜索的，因此ANN連接在很大程度上仍然會受到限制。
  • Cell Reports:科學家發現尼古丁影響大腦中獎賞迴路的新機制
    2018年6月6日 訊 /生物谷BIOON/ --最近，美國西北大學的科學家發現了尼古丁控制大腦獎賞通路的新機制，這將為未來的抗成癮療法提供指導。相關研究成果發表在Cell Reports期刊上，高級作者為藥理學副教授Ryan M. Drenan博士。「鑑定出尼古丁改變大腦迴路的詳細機制是當前一個非常重要的事情。「Drenan說。」
  • Science:發現神經膠質細胞在大腦發育中起著重要作用
    大腦是由兩種廣泛的細胞類型---神經細胞（或者說神經元）和神經膠質細胞---組成。神經膠質細胞是非神經細胞，佔大腦容量的一半以上。神經生物學家們往往著重關注神經元，這是因為它們是形成加工信息的神經網絡。然而，鑑於神經膠質細胞在大腦的細胞組成中佔據多數，這些研究人員猜測它們可能在大腦發育中發揮著一種重要的作用。為了研究這一點，他們探究了果蠅的視覺系統。
  • 最強大腦皮層神經網絡重建 揭哺乳動物最大神經線路圖
    此前，人類只知大腦神經元的「樣子」，現在，哺乳動物神經元如何連接——首次得到揭秘，並實現了更大量級的大腦皮層神經網絡的重建。並且AI的方法在其中發揮重要作用，研究者還說，這種突破還可能進一步為AI發展提供指導：「揭開生物神經網絡連接秘密，或許可以進一步探明大腦高效計算原理。
  • 科學家或已找到相應大腦神經迴路
    能在你的大腦神經迴路中檢測並量化這種 「飢餓感」 嗎？實際上，我們對於孤獨的認識，既熟悉，又陌生。它是一種神經學概念，貌似有理可循；但大家都不知道怎麼來檢測這種現象，並將之定位到特定的細胞上。她發現，激活一個神經元，然後監測對該神經元發出的信號做出反應的大腦其他部分，就可以追蹤出協同工作、執行特定功能的細胞離散電路。泰伊仔細追蹤了杏仁核的外部聯繫，杏仁核是一組杏仁狀的神經元，是齧齒動物和人類釋放恐懼和焦慮的部位。她還正試圖在大腦的神經迴路中檢測和量化孤獨感。科學家們早就知道，刺激整個杏仁核會讓動物因恐懼而蜷縮。
  • 幼年時期遭遇的社會孤立會破壞特定的大腦迴路
    哺乳動物幼年時期的社會孤立，對其成年後的大腦功能和行為有很大危害，但其潛在的神經迴路機制仍是一個謎。當地時間8月31日出版的《自然神經科學》雜誌報導，美國西奈山伊坎醫學院的研究小組確定了小鼠前額葉皮層（大腦中調節社交行為的關鍵部分）中的特定腦細胞亞群，這些細胞是成年後正常社交所必需的，並且極易受到幼年期社會孤立的影響。
  • Science:研究揭示大腦與眼睛神經元再生機制
    2020年10月6日訊/生物谷BIOON/---神經元的死亡，無論是在大腦還是在眼睛中，都會導致許多人類神經退行性疾病的發生，包括失明以及帕金森病。目前對這些疾病的治療只能減緩疾病的進展，因為一旦神經元死亡，就無法替代。
  • Cell:大腦中到底有多少類型的神經元?
    圖片來源：medicalxpress.com2016年3月8日 訊 /生物谷BIOON/ --幾十年來，科學家們都在努力研究希望對大腦中的細胞類型進行深入的「普查」，如今刊登在Cell雜誌上的一篇研究論文中，來自哥倫比亞大學的研究人員描述了一種新方法，其可以幫助科學家們系統性地鑑別單一類別的大腦細胞或者脊髓中的神經元細胞，隨後研究者揭示了神經元運動形狀迴路架構背後的元件，同時也闡明了這種統計學方法如何為神經學家們提供一種關鍵有效的工具來對大腦任何區域中的細胞多樣性進行定量化分析。
  • Science封面:打開小鼠大腦,看到了50億個「興奮性突觸」!
    該工作分析了小鼠大腦的50億個「興奮性突觸」的分子與形態特徵，對科學家更好地理解在不同生命階段，智力、記憶、行為等會出現怎樣的變化做出了卓越貢獻。 變老是一種什麼樣的感覺？由年齡老去帶來的智力行為的變化到底是從何而來呢？ 最近，腦科學家帶來了一項研究，揭示了這其中的奧秘。