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高分辨率绘图技术揭示了大脑的基本电路结构

大脑的力量在于它数以万亿计的细胞间连接,称为突触,它们共同构成复杂的神经“网络”。长期以来,神经科学家一直试图绘制这些个体之间的联系图,以了解它们是如何影响特定的大脑功能的,但传统技术一直未能成功。现在,索尔克研究所和格莱斯顿研究所的科学家们利用一种创新的大脑追踪技术,找到了一种解开这些网络的方法。这些发现提供了大脑特定区域如何相互连接的新见解,同时也揭示了当这些连接被破坏时,一个神经元接一个神经元可能会发生什么。

高分辨率绘图技术揭示了大脑的基本电路结构

在最新一期的神经元,一组由爱德华·卡拉威索尔克教授和持有人的奥黛丽Geisel椅子在生物医学科学,和Anatol Kreitzer,格拉德斯通侦探,结合小鼠模型和先进的跟踪技术作为单突触的狂犬病毒体系组装brain-wide地图与基底神经节的神经元连接,大脑的一个区域是参与运动和决策。对这个区域进行详细的解剖学理解是很重要的,因为它可以为研究可追溯到基底神经节功能障碍的疾病提供信息,包括帕金森病和亨廷顿氏舞蹈症。

“单突触的狂犬病毒approach-pioneered博士Callaway-is巧妙精致的精度,它提供了与以前的方法相比,更低分辨率的混乱,“Kreitzer解释说,他也是神经学和生理学助理教授在加州大学,旧金山,格莱斯顿的附属。在这篇论文中,我们更进一步,通过基因激活示踪剂,确保它只在基底神经节的特定神经元中被激活。这在技术上是一个巨大的飞跃,因为我们可以确定,我们所追踪的只是连接大脑其他部分基底神经节特定类型细胞的网络。

在Gladstone, Kreitzer将他的研究集中在与帕金森症相关的基底神经节上。去年,他和他的团队发表了一项研究,揭示了该区域发现的两种神经元之间的关系——以及它们如何指导运动和决策——的线索。这两种类型被称为直接通路介质刺状神经元(dMSNs)和间接通路介质刺状神经元(iMSNs),起着相反的作用。dMSNs启动运动,如油门踏板,iMSNs抑制运动,如刹车。Kreitzer实验室的最新研究进一步发现,这两种类型也涉及行为,特别是决策,dMSNs和iMSNs的功能障碍分别与成瘾行为和抑郁行为有关。这些发现很重要,因为它们提供了运动障碍(如帕金森症)中可见的身体神经退行性变与某些疾病行为方面之间的联系。但是这项研究仍然有许多问题没有回答。

索尔克研究所博士后研究员、论文第一作者尼古拉斯·沃尔(Nicholas Wall)说:“例如,尽管这项研究以及其他类似的研究揭示了dMSNs和iMSNs在运动和行为中的作用,但我们对其他大脑区域如何影响这两种神经元类型的功能知之甚少。”“单突触狂犬病病毒系统帮助我们解决了这个问题。”

该系统最初是在2007年开发的,2010年由Wall和Callaway对其进行了改进,以针对特定的细胞类型。当该系统应用于遗传小鼠模型时,研究小组可以明确地看到大脑中的感觉、运动和奖励结构是如何与基底神经节的MSNs相联系的。他们的发现令人惊讶。

克瑞泽说:“我们注意到,有些区域更倾向于将病毒传播给dMSNs,而不是iMSNs,反之亦然。”例如,位于大脑运动皮层的神经元倾向于支持iMSNs,而感觉和边缘系统的神经元则偏爱dMSNs。这种精细的组织,用传统的技术几乎不可能观察到,让我们能够预测这两种神经元类型的不同作用

Callaway说:“这些初步的结果应该被视为一种资源,不仅可以用来解码这个网络是如何指导大量非常不同的大脑功能的,而且可以用来解释这个网络的不同部分的功能障碍是如何导致不同的神经系统状况的。”“如果我们能够利用狂犬病病毒系统来查明不同类型疾病中不同的网络中断,我们就能大大提高我们对这些疾病的潜在分子机制的理解,并更接近于找到解决这些疾病的方法。”

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