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科学家们正在破解大脑认知神经密码

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大脑如何感知感官信息

波士顿大学艺术与科学学院生物学助理教授 Jerry Chen 研究大脑的神经代码。他的目标是更好地了解控制认知功能(如感觉处理、决策以及学习和记忆)的遗传和电学影响之间的关系。来源:Nicolle Fuller,Sayo Studios

神经科学家揭示了大脑是如何感知感官信息的——以及这个过程是如何发生故障的。

大脑是我们身体中最复杂的器官——不断地吸收和解释我们周围的环境,并指导我们的运动、思想、行为和情绪。尽管人类对我们周围的环境有着共同的基本理解(即冰是冷的,火是热的,刀是锋利的)——但我们每个人都会对我们处理的信息产生独特的解释。例如,两个人在品尝完全相同的食物、听到相同的声音或离开共享的社交互动后,可能会有非常不同的反应。

波士顿大学艺术与科学学院生物学助理教授 Jerry Chen 研究大脑的神经代码。他的目标是更好地了解控制认知功能(如感觉处理、决策以及学习和记忆)的遗传和电学影响之间的关系。“为了破解神经密码,”陈解释说,“你至少需要知道两件事。首先,您需要能够测量大脑中神经元的活动,因为受试者正在执行不同的认知任务。其次,你必须知道这些神经元的身份,我们可以通过它们表达的基因了解这些神经元的身份。”

在他发表在《科学》杂志上的最新研究突破中,Chen 和他的合作者揭示了小鼠大脑如何理解感官信息——特别是关注触觉的感知。他的团队的新发现与一系列神经系统疾病(如中风)和神经精神疾病(如自闭症谱系障碍)相关,在这些疾病中,个体的感知可以改变。此外,新发现对心理和神经疾病的靶向治疗和干预具有令人兴奋的意义。

Jerry Chen 在下面的问答中对研究的目标、方法、结果和影响进行了权衡。

1)您的研究目标是什么?是什么让你想研究这个问题?

我们的实验室有兴趣研究感知和认知的神经基础。大脑是人体中最复杂的器官。这种复杂性的部分原因是大脑中数十亿个神经元并不完全相同。有数十万种不同类型的神经元——服务于不同的功能并执行不同的计算。要真正了解大脑是如何运作的,我们需要将大脑分解为各个组成部分,然后开始询问这些组成部分在行为过程中是如何相互作用的。

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2) 您能否解释一下促成这项研究的首创“神经元目录”技术及其影响?

我们来自艾伦脑科学研究所的合作者的目标是通过对大脑中所有类型的细胞进行普查来创建“神经元目录”。这是多个机构的多个团队共同努力的一部分。

该目录仅描述了神经元的分子组成,但不一定说明神经元的功能或它们执行的计算。我的研究团队开发的技术利用了目录中的这些新信息,并添加了下一层信息,即细胞的活动模式。它使我们能够全面地磨练和研究目录中单元格的功能。这就是为什么我们称其为活动细胞类型Mar K综合读数ers 或 CRACK(即“破解神经回路”的双关语)。我们的 CRACK 技术将为“目录 2.0”铺平道路,使研究人员能够收集有关大脑中所有细胞的分子和功能信息。

3) 你是如何在你的研究中应用这项技术的?

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我们应用 CRACK 平台来研究与我们的触觉感知有关的皮层的特定部分。我们研究了当动物接触环境中的物体时,目录中的不同神经元如何处理信息并与其他神经元对话。我们还研究了环境变化时神经元如何适应。

4) 调查结果揭示了什么?

当你感知周围的世界时,你的大脑会结合处理构成场景的刺激——但它也会尝试根据你过去学到的东西来填充信息,以帮助你解释你在做什么感应。例如,假设您在一个包里翻找车钥匙。您的大脑已经了解了按键的感觉,因此当您感觉到不同纹理或形状的物体时,它会填充信息来指导您的搜索。但是,有时您会感觉到某种东西,例如锋利的边缘,它真的会跳出来,告诉您您走在正确的轨道上,并且您可能已经找到了钥匙。我们的发现基本上揭示了目录中有一个由特定单元组成的专用电路,我们称之为“集线器单元”。

5) 最令人惊讶的发现是什么?

一个令人惊讶的发现是,我们认为对“特征检测”很重要的“中心单元”也会在您的环境发生变化时以有趣的方式做出响应。有一组已知对学习和适应能力很重要的基因,可以根据不断变化的环境而上升或下降。我们发现这些基因在中枢细胞中总是“开启”的,这违背了当前的一些原则。当环境发生变化时,这些细胞会通过尝试补偿这些变化来做出反应。我们认为这可能是电路“记住”或“不忘记”如何在旧环境中处理信息的一种方式。

6) 这些发现的意义是什么?

我们的研究结果与一系列神经系统疾病(例如中风)和神经精神疾病(例如自闭症谱系障碍)相关,在这些疾病中,个体的感知可以改变。与其将大脑视为一块同质的组织,了解哪些特定的细胞类型是最相关的,这将使我们能够开发出具有高度针对性的治疗方法。这标志着在直接治疗特定症状的根本原因方面取得了令人兴奋的进展,同时也可能避免其他疗法和干预措施产生的不良副作用。

7) 你接下来希望学习什么?

根据我们的新技术和发现,我们有很多方向。由目录中特定细胞类型组成的神经元可塑性专用电路的想法——或者我们研究中的意外发现——特别有趣。这是我们正在跟进的一个领域;我们正在专门研究大脑其他部分可能存在的相似类型的回路,以及它们在学习和记忆过程中以及随着时间的推移如何发挥作用。

参考:2022 年 1 月 6 日,科学。DOI:10.1126/science.abl5981

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