Cell重磅：华人学者也许找到了大脑运作的真正方式
2018/6/29 8:00:00 学术经纬
药明康德/报道
今日，顶尖学术期刊《细胞》上发表了一项重量级的研究：来自Salk研究所的Xin Jin教授团队利用小鼠模型，揭示了大脑控制行为的潜在方式。这个发现也回答了几十年来的一大争论，对神经科学具有重要的意义。
▲本研究的通讯作者Xin Jin教授与第一作者Claire Geddes博士(图片来源：Salk Institute)
我们知道，动物的行为有着复杂的神经学基础，但我们对背后的机理却知之甚少。举例来说，当我们学会系鞋带时，我们大脑中的纹状体会指挥一系列动作——我们先要蹲下，抓起鞋带，再打上一个牢固的结。看起来简单无比的几个动作，却难倒了许多神经科学家。一部分科学家们认为，这些动作之间只是简单的触发关系。这就像多米诺骨牌一样，前一个动作的发生，触发了后一个动作；但另一些科学家们则不这么看。他们相信行为也许有一个更为复杂的组织框架，就好像是项目的流程图一样，有着多层调控。
“几十年来，科学家们一直在争论，大脑如何控制行为，”该研究的负责人Xin Jin教授说道：“使用光遗传学，我们能利用光来控制脑细胞的活性，并从而改变动物个体原本想要执行的行为。这些结果表明，行为受到了非常精准的神经控制。”
在这项研究中，科学家们首先教会了小鼠一套“舞步”。在饲养小鼠的笼子中，科学家们一左一右装上了两根杠杆。如果小鼠按“左-左-右-右”的顺序按下这些杠杆，就会得到奖励。
▲同样是“左-左-右-右”的舞步，研究人员们有两种不同的解释(图片来源：Salk Institute)
在这些小鼠学习“舞步”的过程中，科学家们也没忘记对它们的大脑进行监控。研究发现，在小鼠按下杠杆时，大脑中的D1与D2神经元得到了激活。它们在纹状体中占了细胞的大多数，且对于行为的学习与执行有着潜在的作用。
会不会是这些神经元决定了小鼠的行为呢？为了回答这个问题，科学家们使用光遗传学技术或是白喉毒素，分别去激活和抑制这些神经元。而这个简单的实验，揭示了D1和D2神经元对于行为的重要控制作用。
当他们激活D1神经元时，小鼠会额外按下一次杠杆。而当D2神经元被激活时，小鼠则会“跳过”下一个按杠杆的动作。通过调控这两类神经元，科学家们阐明了大脑如何将行为顺序进行整理和学习。
▲研究人员们揭示了大脑调控行为的复杂方式(图片来源：《细胞》)
“神经元就像是雪花一样(没有两片是相同的)，”该研究的第一作者Claire Geddes博士说道：“D1和D2神经元有类似的模式，但它们做的工作并不一样。它们用复杂的模式一同工作，控制行为。”
综合这些研究结果，科学家们指出，大脑可能有着三层调控机制。最低的一层按顺序执行行为，最高的一层只在行为开始和结束时有所参与，而中间一层则在每个步骤的转化时激活神经元。为了便于我们理解，Salk研究所的新闻报道里还给我们做了一个类比：最低一层调控就像是低级的管理人员一样，负责项目的每个细节；最高一层调控就好像是公司的高管，主要负责项目的启动和完成。而中间一层就好比是中级管理人员，在两者之间充当沟通者。
研究人员们表明，他们的工作揭示了神经行为细微而又复杂的一面，有助于解释为何我们能灵活地执行学到的行为。“我对这项成果表示兴奋，它解决了长期以来关于行为神经学的一个根本问题的争论，” Xin Jin教授评论道：“此外，我们发现了不同类型的细胞如何影响我们的行为，这为许多神经疾病的治疗提供了新的洞见。”
我们期待这项发现能早日转化为创新疗法。到了那一天，诸如强迫症等无法控制行为的疾病，或许将不再成为困扰。
点击文末“阅读原文”，即可访问原始论文页面。
参考资料：
[1] Optogenetic Editing Reveals the Hierarchical Organization of Learned Action Sequences
[2] How the office org chart in your brain helps to organize your actions
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