盘点现代神经科学中的新旧技术(下)

【字体: 时间:2016年10月11日 来源:生物通

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  尽管研究人员现在已经有了多种工具可以同时记录数百个神经元,并且能够控制啮齿类动物大脑中小部分的细胞,但是人类的大脑仍然是一个谜。大脑有大约860亿个神经元,由100兆个突触相连,这个重三磅的器官仍然是一个创纪录的科学难题。

  

盘点现代神经科学中的新旧技术(上)

大脑控制
操纵大脑也可以阐明它是如何运作的。在20世纪60年代末,耶鲁大学的Jose Delgado把电极放在一只黑猩猩(名叫Paddy)的大脑中,以改变动物的情感行为。发射器产生了一种不愉快的感觉,响应Paddy杏仁核中一个特定的活动模式。经过六天的反复刺激后,Paddy变得抑郁,活动模式减少了百分之99。Paddy在两周后恢复,但是当Delgado重复这个实验时,它再次变得忧郁。现就职于纽约大学的Buzsáki说:“Delgado所做的是令人难以置信的,因为他能够在一个时代倾听并精确操纵脑电波,要知道在当时真空管被认为是高科技。

在过去的50年中,随着越来越紧凑和精确的电极,研究人员继续使用电磁刺激来操纵神经活动,旨在理解大脑的功能。经颅磁刺激,或在头外部应用无创性磁场,已被用来揭示神经系统疾病的生理基础,并在动物模型中确定潜在的治疗方法。跟随Delgado的脚步,Buzsáki和他的同事们去除了负责巩固睡眠大鼠白天记忆的神经活动波动(Nat Neurosci,12:1222-23,2009)。结果,第二天动物什么都不记得了,但是它有着完美的睡眠。

在2005年,电极和磁场出现了一种强大的替代品:用光控制神经元。Boyden连同斯坦福大学的Karl Deisseroth及其同事,将响应光的藻离子通道插入哺乳动物的神经细胞。利用光子,他们可以任意去极化一种培养的神经元的膜(Nat Neurosci,8:1263-68,2005),研究人员很快在体内应用了这一工具。光遗传学被Nature杂志评选为2010年度最杰出的方法,它能够让研究人员靶定特定的细胞群(Nature年度技术:光遗传学技术封面头条:光遗传学技术的诞生)。该技术已应用于小鼠来改变(Science,341:387-91,2013)或触发记忆(Nature,484:381-85,2012),关闭癫痫发作(Nat Commun,4:1376,2013),并抑制攻击性行为(Nature,470:221-26,2011)(Nature子刊:光遗传学技术获得重大突破)。

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另一种技术依赖于化学,而不是光。科学家将通过定向进化产生的G蛋白偶联受体,传递到动物的脑细胞中。然后,通过向体内注射一种合成配体,科学家可以触发神经元放电或沉默(PNAS,104:5163–68,2007)。在去年,马里兰大学的一个研究小组用这种方法——称为designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs),来破坏小鼠学习避开攻击性雄性小鼠的能力(J Neurosci,35:10773-85,2015)。

这些扩张型和多样化的工具,对于神经科学家试图完成的工作,是至关重要的。Boyden说:“我希望我们可以解析大脑。要这样做,我们必须有一副完整的图像,我们必须能够观察到正在运转的大脑,我们必须能够控制它。”

后记
尽管研究人员现在已经有了多种工具可以同时记录数百个神经元,并且能够控制啮齿类动物大脑中小部分的细胞,但是人类的大脑仍然是一个谜。大脑有大约860亿个神经元,由100兆个突触相连,这个重三磅的器官仍然是一个创纪录的科学难题。

磁共振成像(MRI),在1977年第一次用于人类,使研究人员能够无创性地影像一个人的大脑结构。对于获取大脑的照片来说,磁共振成像比它的前身——正电子发射断层扫描(PET)更容易操作,需要静脉注射放射性核素标记的代谢产物,来评估大脑的活动。华盛顿大学神经学家Marcus Raichle在上世纪70年代参与开发了PET,他回忆说:“我的上帝,如果你有一个MRI扫描仪,你就可以从事脑成像生意了。”

但是,使MRI一跃成为神经成像的中流砥柱技术的是功能性磁共振成像(fMRI)扫描。在1990年,当时在AT&T Bell实验室的Seiji Ogawa和他的同事发现,缺氧血对磁场的反应不同,这可能是作为一种内部造影剂来反映大脑中的变化(PNAS,87:9868-72,1990)。作为fMRI中的一个主题,执行一个简单的任务,研究人员可以使用在不同脑区中含氧血流量增加,作为神经活动的一个指标。

MRI的另一个变种也引起了轰动:扩散MRI。这种技术可通过水分子的布朗运动,跟踪神经元的轴突,它们更可能沿轴突的纤维结构扩散,而不是垂直于它。该方法可跟踪灰质区与神经元细胞体之间的纤维轨迹。美国国家卫生研究院资助的人脑连接组项目,正在使用这一工具和上面的那些工具,来映射大脑中的所有连接,这个数字远远超过了天上的星星。

(生物通:王英)

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