大脑的“重编程系统”在哪里?

【字体: 时间:2020年09月18日 来源:

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  人类和其他动物一样,有不断适应新环境的能力。

  

人类和其他动物一样,有不断适应新环境的能力。

苏黎世大学大脑研究所的研究人员利用一个小鼠模型来揭示大脑中哪些神经元在引导适应性行为方面起着主导作用。

COVID-19戏剧性地改变了人类的习惯性行为:取消握手问候,强制戴上口罩,对着肘部打喷嚏。动物也必须能够迅速适应环境条件的变化。

 “大脑的可塑性是这种能力的基础,”苏黎世大学大脑研究所的联合主任Fritjof Helmchen说,他也是苏黎世神经科学中心的负责人。“但是,实现这一惊人壮举的生物学过程仍然鲜为人知。”他们刚刚在《Nature》杂志发表文章,指出位于眼睛后面的大脑皮层的眼眶前额叶皮层能够对位于感觉区域的神经元进行重新编程。

观察脑细胞的再学习行为

在他们对小鼠的实验中,研究人员模拟了一个在受控条件下的再学习过程,并研究了在这个过程中,在单个神经元水平上大脑发生了什么。研究人员首先训练这些动物每次用胡须触碰一条粗砂纸时都要舔水,并以一杯蔗糖水作为奖励。然而,当小鼠在细砂纸上擦胡须时,它们是不允许舔水的;如果舔的话,它们会受到轻微刺激性噪音的惩罚。一旦小鼠明白了如何执行任务,再转换局面。奖励现在变成了触碰细颗粒而不是粗砂纸。经过一点点练习,小鼠很快学会了这种新的、相反的行为模式。

一个更高的权威重新映射细胞

在训练中,神经科学家利用分子生物学和影像学技术分析了大脑皮质中单个神经元的功能。他们的分析显示,在重新学习的过程中,眶额皮质的一组脑细胞特别活跃。这些细胞有长长的轴突延伸到小鼠处理触觉刺激的感觉区域。这个区域的细胞最初遵循旧的活动模式,但有些细胞后来适应了新的情况。当眼眶前额叶皮质的特定神经元被故意灭活时,再学习受到损害,感觉区的神经元不再表现出活动的改变。

Helmchen解释说:“因此,我们能够证明从眶额皮质到大脑感觉区域的直接联系是存在的,而且一些神经元在那里重新映射。这些细胞的可塑性以及它们从高阶眶额叶皮层接收的指令,似乎对我们的行为灵活性和适应新情况的能力至关重要。”

“我们早就知道眶额皮质参与决策过程”。它在某种程度上负责使我们能够对外部环境作出适当和成功的反应。”这项研究的主要作者、现任英国纽卡斯尔大学副教授的Abhishek Banerjee说。“但这项功能背后的神经回路直到现在都是未知的。这种跨越大脑遥远区域的交流和控制模式真的很了不起。”

更好地理解疾病

研究人员认为,他们在小鼠身上观察到的基本过程在人脑中也以类似的方式发生。Helmchen解释说:“这对决策过程中涉及的复杂大脑过程的加深了解很重要。我们的研究结果可能有助于更好地理解大脑疾病,即决策的灵活性受到损害,例如在各种形式的自闭症和精神分裂症中。很明显,有困难或无法适应自己的行为对受影响的人来说是一个严重的问题。”

原文检索:Value-guided remapping of sensory cortex by lateral orbitofrontal cortex

(生物通:伍松)


 

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