Neuron：新的大脑连接图谱揭示了关键调控器的广泛作用

加州大学圣地亚哥分校的研究人员绘制了一幅新的连接图，该图来自于大脑中一个被称为基底神经节的区域，该区域是调节运动和行为功能的中枢。这种广泛的联系可能为治疗帕金森氏症和其他疾病(如图雷特氏综合症、注意力缺陷多动障碍(ADHD)和强迫症)开辟了潜在的途径。

　　

 

   

图:这里用绿色表示的是连接中脑的黑质细胞的分支或轴突。红点表示细胞连接的位置。

资料来源:Lauren McElvain / Kleinfeld实验室/加州大学圣地亚哥分校)

我们成千上万的日常活动，从煮咖啡到散步，再到和邻居打招呼，都是通过隐藏在头盖骨中央的古老的大脑结构集合而得以实现的。

被称为基底神经节的神经元簇是调节大量日常运动和行为功能的中枢。但当基底神经节的信号减弱或中断时，就会出现虚弱的运动和精神障碍，包括帕金森氏病、图雷特氏综合征、注意力缺陷多动障碍(ADHD)和强迫症。

尽管基底神经节在控制行为方面起着核心作用，但信息从基底神经节流向其他大脑区域的具体、详细路径仍未被详细绘制出来。现在，加州大学圣迭戈分校(University of California San Diego)、哥伦比亚大学(Columbia University)祖克曼研究所(Zuckerman Institute)的研究人员和他们的同事已经从基底节区最大的输出核生成了一幅精确的大脑连接图。基底节区被称为黑质网状部(SNr)。这些发现为该区域的结构提供了蓝图，揭示了新的细节，以及与基底神经节有关的令人惊讶的影响水平。

这项研究由助理项目科学家Lauren McElvain带头，在加州大学圣地亚哥分校David Kleinfeld教授的神经物理实验室和祖克曼研究所首席研究员Rui Costa的实验室进行，并于4月5日发表在《神经元》杂志上。

该研究对基底神经节在运动系统层次中的位置建立了新的认识。据研究人员称，从连接图中新发现的通路可能为干预帕金森氏症和其他与基底神经节有关的疾病开辟新的途径。

McElvain说:“有了详细的电路图，我们现在可以计划研究来确定每个通路传达的具体信息，这些信息如何影响下游神经元来控制运动，以及每个输出通路的功能障碍如何导致基底神经节疾病的各种症状。”

在NIH的支持下，通过推进创新神经技术(大脑)倡议的大脑研究，研究人员通过应用现代神经科学工具集，结合了遗传学、病毒追踪、全脑解剖的自动显微成像和图像处理技术，开发了在小鼠工作的新蓝图。研究结果揭示了关于人际关系广度令人惊讶的新见解。

“这些结果是一个例子，说明由大脑计划支持的研究人员如何使用最新的大脑绘图工具，从根本上改变了我们对大脑回路中连接是如何组织起来的理解，”NIH大脑计划主任John J. Ngai说。

先前的研究强调基底神经节的结构是由一个闭环控制的，输出投影连接回输入结构。这项新研究发现，信噪比甚至可以传播到较低水平的运动和行为系统。这包括大量与脊髓和运动核直接连接的脑干区域，运动核通过少量的中间连接控制肌肉。

“麦克尔文博士领导的新发现为运动控制提供了重要的一课，”Kleinfeld说，他是生物科学部(神经生物学)和物理科学部(物理系)的教授。“大脑并不是通过像自动驾驶汽车的‘神经网络’那样的命令层级来控制运动，而是通过一个中层管理方案来指挥运动输出，同时通知执行计划人员。”

研究人员表示，值得注意的是，投射到低水平运动系统的信噪比神经元有分支轴突，同时投射到负责高阶控制和学习的大脑区域。通过这种方式，新描述的信噪比神经元的连通性从根本上连接了大脑的高水平和低水平操作。

“特定基底神经节神经元输出项目具体下游大脑核还广播信息高等汽车中心对大脑如何选择运动在一个特定的上下文,以及它如何学习在未来的行动,”科斯塔说,哥伦比亚大学神经科学和神经学教授瓦大学的内科医生和外科医生,同时也是祖克曼研究所的董事和首席执行官。