Cell:解码线虫的全脑活动

【字体: 时间:2015年10月20日 来源:生物通

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  最近,奥地利分子病理学研究所(IMP)Manuel Zimmer带领的研究小组,揭示了秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的大脑活动。科学家们发现,脑细胞(神经元)——被组织在一个全脑网络中,尽管发挥着不同的功能,但以一种集体的方式相互协调。相关研究结果,发表在最近一期的《Cell》杂志。

  

生物通报道:最近,奥地利分子病理学研究所(IMP)Manuel Zimmer带领的研究小组,揭示了秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的大脑活动。科学家们发现,脑细胞(神经元)——被组织在一个全脑网络中,尽管发挥着不同的功能,但以一种集体的方式相互协调。他们也将线虫大脑中这些协调活动与产生行为的过程联系起来。相关研究结果,发表在最近一期的《Cell》杂志。延伸阅读:《Neuron》:首次描述斑马鱼全脑活动图

神经科学的一个主要目标是,阐明大脑如何发挥整体功能,以及它是如何产生行为的。解决这个难题的最大挑战在于,神经系统的复杂性。例如,一只小鼠的大脑,由成千上万个神经元组成,它们以高度复杂的方式相互连接。与之相反,线虫的神经系统只包含302个神经元。由于它的易操作性和它的发育特性,这种微小、透明的虫子,已经成为基础研究最重要的模式生物。近30年来,单个神经元之间的连接已经众所周知。尽管神经元的数目较少,但是其神经网络具有高度的复杂性和复杂行为的输出;因此,线虫是研究脑功能的一种选择动物。

全脑网络中神经元群的相互作用
研究人员主要集中在研究单个或极少数神经细胞的功能及其相互作用,以解释诸如运动这样的行为。对于线虫来说,我们已经知道,一些单个神经元在网络中如何发挥独立单元的功能,但是,它们如何作为一个群组起作用,仍然是未知的。Manuel Zimmer想在他研究中解决这个问题。他和他的团队一起,将目前两种最先进的技术结合起来:首先,科学家使用三维显微镜技术,同时、快速地测量大脑的不同区域;其次,他们使用一种荧光蛋白对线虫进行了遗传改造,使其神经元在活跃的时候闪光。Zimmer解释了这种方法的优势:“这种组合对于我们来说很有帮助,因为它可让我们进行实时的、全脑单细胞分辨率的记录。”

索取单细胞研究的全套解决方案

读懂线虫的思想
Zimmer和他的团队在动物试图寻找食物时,测试了它们对外界刺激的反应。在显微镜下,研究人员看到了一幅迷人的图片,博士后科学家Saul Kato解释说:“我们看到,大多数的神经元用一种全脑的方式不断地活跃和互相协调。它们作为一个整体。”这些动物在这些实验中是不会动的,因此,它们的反应代表着意图,而不是反映实际运动。

科学家们用不同的显微镜技术,设置了自由移动的线虫,能够检测到启动运动的神经元。某些网络的活动和运动冲动之间,有直接的关系;因此,Zimmer和他的同事能够明显读懂线虫的想法。Zimmer指出:“这些网络活动不仅代表短动作,而且它们能组装成更持久的行为策略,如觅食。这在之前是没有人做到的。”类似的神经活动模式,也在较高等的动物中发现过,但到目前为止,大脑亚区中只有一小部分的神经元,可以在同一时间被检测到。因此,Zimmer和他的同事们相信,他们的结果代表了脑功能的基本原则,虽然线虫只是哺乳动物的远亲。

分子机制研究
神经生物学领域的许多问题,在很大程度上仍然未得到解决,比如:如何做出决策,或者大脑是否以一种正式算法的方式运作,像电脑。在下一阶段的研究中,Manuel Zimmer试图分析他所研究的这些过程背后的分子机制。他说:“对持久脑状态(如睡眠和觉醒)有一个更深入的了解,也是很有趣的。”从而奠定了他未来的长远计划。

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Global Brain Dynamics Embed the Motor Command Sequence of Caenorhabditis elegans
Summary: While isolated motor actions can be correlated with activities of neuronal networks, an unresolved problem is how the brain assembles these activities into organized behaviors like action sequences. Using brain-wide calcium imaging in Caenorhabditis elegans, we show that a large proportion of neurons across the brain share information by engaging in coordinated, dynamical network activity. This brain state evolves on a cycle, each segment of which recruits the activities of different neuronal sub-populations and can be explicitly mapped, on a single trial basis, to the animals’ major motor commands. This organization defines the assembly of motor commands into a string of run-and-turn action sequence cycles, including decisions between alternative behaviors. These dynamics serve as a robust scaffold for action selection in response to sensory input. This study shows that the coordination of neuronal activity patterns into global brain dynamics underlies the high-level organization of behavior.

 

 

 

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