Cell发布光遗传学重要发现

　　

生物通报道  当一个大作战部队广泛分散在茂密的丛林中准备战斗时，没有一个士兵明确知道他的行动对于作战部队成败的影响。但在现代军队中，一个可以实时接收广播的收音装置便可将每一名士兵联系起来。由于士兵们无法全面了解整个作战部队的状况，实时的广播可以让分散的军队了解到正面及负面的消息，这非常的重要。

冷泉港实验室(CSHL)发现，同样基底前脑中有一组专门的神经元，将消息广播至整个大脑皮层，迅速告知了多个分散的脑亚区意外的奖励或惩罚——科学家们将这称作为是强化刺激。

新研究探讨的神经元是胆碱能神经元（cholinergic neuron），由Adam Kepecs副教授领导的研究小组第一次在活动动物（小鼠）中成功记录了这些神经元的活动。

胆碱能神经元在大脑中形成了一个神经调节系统——它们以神经递质乙酰胆碱的形式向广泛的大脑区域发送了信号。尽管，人们一直认为它们在觉醒、注意及学习中发挥重要作用，由于技术难题无法在体内记录它们，对于它们在行为中的确切作用仍不了解（延伸阅读：阿茨海默症相关脑细胞的完整形态 ）。基底前脑胆碱能神经元退化和丧失与阿尔茨海默氏症、年龄相关认知能力下降，以及其他一些认知障碍及痴呆有关联。

在发表于《细胞》（Cell）杂志上的一篇研究论文中，Kepecs和同事们报告称利用光遗传技术鉴别神经元，他们揭示出了中枢胆碱能神经元的功能机制。Kepecs说：“寻找这些神经元非常非常之难，它们在大脑中形成了一个极其重要的系统。直至最近，我们都没有技术按所需的精确度来处理这一系统。”

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在鉴别出胆碱能神经元后，研究小组记录了当小鼠完成一项要求保持持续注意力的声音检测任务时它们的活动。根据它们的反应正确与否，小鼠被给予一滴水，或向面部轻轻吹口气的“惩罚”。 Kepecs实验室博士后研究人员Balazs Hangya发现，这些神经元以异乎寻常的速度和精确度，在几毫秒内对奖惩做出了反应。

为了解释这种反应研究人员构建了一个计算模型，揭示出信号强度的调节与小鼠发现奖励或惩罚的意外或惊讶程度成正比。根据这一模型，如果小鼠确定它们的反应是正确的，奖励会生成一种弱信号。但如果它们不确定，奖励出乎它们的意料，会生成更强的胆碱能信号。“这告诉了我们，它实际上并非是表明惩罚，而只是表明了惩罚更令人惊讶，”Kepecs说。

Kepecs认为，胆碱能神经元向皮质发送广播帮助提高了可塑性，赋予了神经元连接适应性，使得学习变为可能。无论这种惊讶记录的是比预期更好或是更坏的结果或事件，事实就是它出乎意料之外，这对个体是一种明显的优势——就像是向丛林作战部队中的士兵不断发送的情报。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Central Cholinergic Neurons Are Rapidly Recruited by Reinforcement Feedback

Basal forebrain cholinergic neurons constitute a major neuromodulatory system implicated in normal cognition and neurodegenerative dementias. Cholinergic projections densely innervate neocortex, releasing acetylcholine to regulate arousal, attention, and learning. However, their precise behavioral function is poorly understood because identified cholinergic neurons have never been recorded during behavior. To determine which aspects of cognition their activity might support, we recorded cholinergic neurons using optogenetic identification in mice performing an auditory detection task requiring sustained attention. We found that a non-cholinergic basal forebrain population—but not cholinergic neurons—were correlated with trial-to-trial measures of attention. Surprisingly, cholinergic neurons responded to reward and punishment with unusual speed and precision (18 ± 3 ms). Cholinergic responses were scaled by the unexpectedness of reinforcement and were highly similar across neurons and two nuclei innervating distinct cortical areas. These results reveal that the cholinergic system broadcasts a rapid and precisely timed reinforcement signal, supporting fast cortical activation and plasticity.