电刺激 | 寻找投射神经元
2020/4/21 2:41:52 生物流BioStream

     大脑的功能需要多个脑区协同工作来完成,而脑区之间的协作依赖于长距离的投射神经元。这些投射神经元对于揭示大脑工作原理极其关键。

     从上亿神经元中鉴定出投射神经元是很困难的。但,虽然困难,方法还是有的,其中一个就是电刺激。这要归功于电刺激引起的逆向动作电位。逆向动作电位被电刺激引发于轴突,然后沿着长长的轴突索道,逆流而上,直至神经元胞体。

     以额叶视区和V4视皮层为例,我们来了解下电刺激分离投射神经元的原理。

     电刺激定位投射神经元

     在猕猴大脑,额叶视区(FEF,Frontal eye fields)位于前额叶的弓状回,它调控眼动,参与视觉注意。V4区位于枕叶,是视觉皮层的组成部分。

     额叶视区接收视觉皮层V4区的输入。同时,额叶视区的部分神经元也抛出长长的神经纤维,锚定在视觉皮层V4区的神经元上。

    

     猕猴V4区和额叶视区之间有双向投射

     为了从成千上万的额叶视区神经元中,鉴别出轴突伸向V4区的,科学家在V4区插入电流刺激电极,而在额叶视区埋植记录电极。

    

     电刺激V4,同时记录额叶视区神经元的反应

     通常,电极记录到的动作电位绝大多数来自于神经元胞体。

     这是由于树突和轴突太纤细,而电极导电尖端的面积相对来说却很大,大到足以覆盖数十条轴突。因此,如果把电极放置在神经纤维网里,记录到的信号是数十根神经纤维电信号的叠加总和。大多数情况下,科学家是很难分离出单个轴突的动作电位。

    

     电极尖端导电部分

     而神经元胞体却足够大。当电极距离胞体足够近时,胞体的电信号完全可以独霸电极。也就是说,电极可以记录到单个胞体的动作电位。

    

     电极正在记录神经元胞体的电信号,示意图

     所以,额叶视区内的电极,记录到的动作电位,绝大多数来自于神经元胞体。

     当电流刺激V4区时,由于V4和FEF之间有相互投射,额叶视区中被激活的神经元胞体分两类。

     胞体在额叶视区,轴突投射至V4区的神经元。位于V4的轴突被电流激活,动作电位反向传递至额叶视区的胞体。这种情况依赖于逆行动作电位。

     接受V4神经元输入的额叶视区神经元。电刺激激活V4神经元,V4神经元通过突触传递激活部分额叶视区神经元。而这种情况依赖于顺行动作电位。

    

     电刺激V4,动作电位可以逆行也可以顺行至额叶视区

     也就是说,这两种额叶视区的神经元,都会被V4区的电刺激诱发动作电位,但动作电位发生的时间存在差异。

     对于被逆行动作电位激活的神经元,由于动作电位在轴突上传递速度比高铁还快,因此,电刺激后,逆行动作电位激活胞体的延迟短,时间固定。

     而对于被顺行动作电位激活的神经元,因为需要经过一级化学突触的信号传递,所以,电刺激后,胞体动作电位延迟时间长,并且发生时间不稳定。

     据此,可以区分开两种神经元,鉴别出投射到V4的额叶视区神经元,进而研究其在认知任务中的反应性质。

    

     左为投射至V4的神经元,电刺激V4后,动作电位迅速且延迟固定。右为接受V4投射的额叶视区神经元

     总结

     电刺激鉴别投射神经元是神经科学研究中频繁使用的方法,尤其是在基因操作寸步难行的灵长类实验中。而对于啮齿类动物小鼠,逆行标记和顺行标记的基因工具的使用,分别允许科学家特异地标记出投射至一个脑区的神经元,以及从一个脑区投射出的神经纤维。

     (生物流系头条号签约作者)

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