2018年5月17日

新研究揭示了大脑协调运动的能力

图片来源:Wikimedia Commons

为了执行任何动作,无论是弹钢琴还是跳舞跳动的小虫,大脑都必须选择一系列细小的,离散的动作并将它们串在一起,形成精确,连续的序列。

大脑如何精确地实现这一非凡的成就一直是个谜,但是一项新的研究 由哈佛医学院的科学家领导的这个过程带来了急需的见解。

研究结果于5月17日在线发布于 细胞揭示大脑依赖于两者之间的精妙平衡 在大脑的一部分中称为纹状体的两个神经元种群,运动和动作计划的协调中心。这些发现可以帮助研究人员更好地理解会严重影响环境的情况。 (例如帕金森氏病和亨廷顿氏病),并最终开发出新的治疗方法。

研究的资深作者桑迪普·罗伯特说:“我们相信我们的观察为阐明运动如何转化为所需动作奠定了基础,并推动了我们理解并最终治疗破坏性神经退行性疾病的能力。”达塔(Datta),哈佛医学院神经生物学副教授。

科学家早就知道,纹状体是埋在前脑中的螺旋形区域,是运动系统的重要组成部分,运动系统中的神经元在帕金森氏病和亨廷顿氏病中均会死亡。

先前的研究确定了纹状体中的两个细胞群-分布在所谓的直接和间接途径中的多刺投射神经元-控制运动的关键方面。

然而,这两个途径如何相互作用以调节和引导运动的确切方向仍不清楚。一些证据表明,直接途径选择并启动了动作的表达,而间接途径则抑制了不需要的动作。但是,其他研究发现,这两种途径通常同时激活。

该研究的主要作者,神经生物学系博士后杰弗里·马科维茨解释说:“根据我们长期以来对每种途径的看法,这是没有道理的。”

为了更好地定义这些途径之间的动态关系,研究团队利用了Datta实验室开发的称为MoSeq的技术,该技术是运动测序的缩写。该系统记录动物的三维运动,并使用机器学习将运动精细细分或精确解析为基本模式,每个模式仅持续几百毫秒。研究人员称这些超快动作为“音节”。

研究人员与来自贝尔纳多·萨巴蒂尼实验室的神经影像专家合作,通过遗传途径改变了直接和间接途径中的神经元,使其在激活时发出不同颜色的荧光。结合 ,基因工程和MoSeq允许科学家在小鼠执行各种动作时同时观察和分析这两种途径中的神经活动。

研究人员证实了先前的研究,发现每当小鼠切换行为(例如从运行到停止)时,两种途径的活性都会增加。

但是,当他们查看由MoSeq识别的音节时,他们发现两条途径之间的活动平衡不同。对于某些音节,直接途径占主导地位。对于其他人,间接途径确实如此。即使对于高度相似的音节,例如两种不同类型的“扭缩”或在球中ing缩,也可以区分这两种途径。每 在这两种途径之间产生了特定的平衡。神经活动与音节之间的关系如此明显,以至于研究人员可以成功地识别仅基于信号通路活动表达的特定音节。

途径之间的活性比率是如此恒定,以至于研究人员成功地仅根据途径的活性就确定了表达的特定音节。使用成像技术,他们还可以观察到神经元的合奏,这些合奏在特定音节期间显示出规律且可预测的活动模式。

在最后一组实验中,科学家们想了解当这些途径的活动被破坏或出现问题时发生了什么。为此,他们在少数小鼠的纹状体中诱发了病变。恢复一周后,他们将老鼠放进了一个类似竞技场的空间,狐狸的气味从一侧散发出来。由于天生具有避免掠食的本能,具有完整纹状体的小鼠立即奔向竞技场的另一侧。纹状体受损的小鼠还能够显示正常小鼠中看到的所有独立音节,例如嗅探,奔跑,抚养和转弯,但是它们的大脑以某种方式无法正确地排列这些运动,从而使动物无法到达竞技场的另一侧。

达塔说:“这突显了顺序在将运动拼凑成预期结果方面的重要性。” “即使您能够正确地移动自己的身体,即使您无法按照正确的顺序进行操作,也很难做到最基本的事情。”

研究人员说,如果在进一步的研究中加以重复,这些发现将有助于为帕金森氏病和亨廷顿氏病的新治疗方法提供依据。

目前,帕金森氏病是通过给患者一种形式的神经递质多巴胺来治疗的,它可以刺激直接和间接途径。但是,随着时间的流逝,治疗的功效逐渐减弱。尚无亨廷顿舞蹈病的有效治疗方法。

达塔说:“我们希望从这些发现中得出的未来工作能够更具体地解决当神经退行性疾病夺走人们大脑产生动作和动作序列的能力时,这些细胞类型究竟发生了什么。”

期刊信息: 细胞

由...提供 哈佛医学院

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