Cell發(fā)布光遺傳學(xué)重要發(fā)現(xiàn)
日期：2015-08-31 08:52:12
當(dāng)一個(gè)大作戰(zhàn)部隊(duì)廣泛分散在茂密的叢林中準(zhǔn)備戰(zhàn)斗時(shí)，沒(méi)有一個(gè)士兵明確知道他的行動(dòng)對(duì)于作戰(zhàn)部隊(duì)成敗的影響。但在現(xiàn)代軍隊(duì)中，一個(gè)可以實(shí)時(shí)接收廣播的收音裝置便可將每一名士兵聯(lián)系起來(lái)。由于士兵們無(wú)法全面了解整個(gè)作戰(zhàn)部隊(duì)的狀況，實(shí)時(shí)的廣播可以讓分散的軍隊(duì)了解到正面及負(fù)面的消息，這非常的重要。
冷泉港實(shí)驗(yàn)室(CSHL)發(fā)現(xiàn)，同樣基底前腦中有一組專門的神經(jīng)元，將消息廣播至整個(gè)大腦皮層，迅速告知了多個(gè)分散的腦亞區(qū)意外的獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰——科學(xué)家們將這稱作為是強(qiáng)化刺激。
新研究探討的神經(jīng)元是膽堿能神經(jīng)元（cholinergic neuron），由Adam Kepecs副教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組第一次在活動(dòng)動(dòng)物（小鼠）中成功記錄了這些神經(jīng)元的活動(dòng)。
膽堿能神經(jīng)元在大腦中形成了一個(gè)神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)——它們以神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的形式向廣泛的大腦區(qū)域發(fā)送了信號(hào)。盡管，人們一直認(rèn)為它們?cè)谟X(jué)醒、注意及學(xué)習(xí)中發(fā)揮重要作用，由于技術(shù)難題無(wú)法在體內(nèi)記錄它們，對(duì)于它們?cè)谛袨橹械拇_切作用仍不了解。基底前腦膽堿能神經(jīng)元退化和喪失與阿爾茨海默氏癥、年齡相關(guān)認(rèn)知能力下降，以及其他一些認(rèn)知障礙及癡呆有關(guān)聯(lián)。
在發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）雜志上的一篇研究論文中，Kepecs和同事們報(bào)告稱利用光遺傳技術(shù)鑒別神經(jīng)元，他們揭示出了中樞膽堿能神經(jīng)元的功能機(jī)制。Kepecs說(shuō)：“尋找這些神經(jīng)元非常非常之難，它們?cè)诖竽X中形成了一個(gè)極其重要的系統(tǒng)。直至最近，我們都沒(méi)有技術(shù)按所需的精確度來(lái)處理這一系統(tǒng)。”
在鑒別出膽堿能神經(jīng)元后，研究小組記錄了當(dāng)小鼠完成一項(xiàng)要求保持持續(xù)注意力的聲音檢測(cè)任務(wù)時(shí)它們的活動(dòng)。根據(jù)它們的反應(yīng)正確與否，小鼠被給予一滴水，或向面部輕輕吹口氣的“懲罰”。 Kepecs實(shí)驗(yàn)室博士后研究人員Balazs Hangya發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)元以異乎尋常的速度和精確度，在幾毫秒內(nèi)對(duì)獎(jiǎng)懲做出了反應(yīng)。
為了解釋這種反應(yīng)研究人員構(gòu)建了一個(gè)計(jì)算模型，揭示出信號(hào)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)與小鼠發(fā)現(xiàn)獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰的意外或驚訝程度成正比。根據(jù)這一模型，如果小鼠確定它們的反應(yīng)是正確的，獎(jiǎng)勵(lì)會(huì)生成一種弱信號(hào)。但如果它們不確定，獎(jiǎng)勵(lì)出乎它們的意料，會(huì)生成更強(qiáng)的膽堿能信號(hào)。“這告訴了我們，它實(shí)際上并非是表明懲罰，而只是表明了懲罰更令人驚訝，”Kepecs說(shuō)。
Kepecs認(rèn)為，膽堿能神經(jīng)元向皮質(zhì)發(fā)送廣播幫助提高了可塑性，賦予了神經(jīng)元連接適應(yīng)性，使得學(xué)習(xí)變?yōu)榭赡堋o(wú)論這種驚訝記錄的是比預(yù)期更好或是更壞的結(jié)果或事件，事實(shí)就是它出乎意料之外，這對(duì)個(gè)體是一種明顯的優(yōu)勢(shì)——就像是向叢林作戰(zhàn)部隊(duì)中的士兵不斷發(fā)送的情報(bào)。
