新技术将大脑回路与警觉性联系起来

斯坦福大学的研究人员首次将几个大脑回路与警觉性联系起来。

这些发现增强了科学家对驱动力的理解警觉性,一个大脑通过显示大脑中不同类型的细胞共同产生这种状态，这种状态对生存至关重要。

与警觉性缺陷相关的问题包括睡眠剥夺、抑郁、脑外伤引起的嗜睡，而焦虑、躁狂和创伤后应激障碍等疾病的特征往往是过度警觉性。

研究人员采用了一项尖端技术，使他们能够同时监测大脑中大量神经细胞的活动，然后从分子细节上描述感兴趣的细胞。这种新方法可以让科学家记录任何类型细胞的活动，而不需要为每次新实验制造特殊的转基因动物。

一项研究将于11月2日在网上发表细胞霍华德休斯医学研究所研究员、斯坦福大学生物工程、精神病学和行为科学教授Karl Deisseroth和他的同事描述了他们如何设法观察到斑马鱼幼虫大脑中几乎每个神经细胞或神经元的活动，同时跟踪这些生物对刺激的反应时间。(对人类和其他动物的研究表明，当实验对象更警觉时，反应时间会更快)。然后，每个神经元的活动与该神经元的特定细胞类型相关联。通过这张覆盖整个大脑的“拉网”，戴瑟罗斯和他的同事们能够确定几个不同的神经元回路的身份，这些回路以前没有被怀疑与警觉性有关。

这项研究的主要作者是博士后学者Matthew Lovett-Barron博士。

事实证明，警觉性不仅仅包括一个开/关开关。在这项新研究之前，人们认为脊椎动物的警觉性主要是由一组神经元控制的神经元从一个叫做蓝斑的大脑结构发出并辐射到整个大脑的各个区域。

将研究结果扩展到小鼠

重要的是，研究人员将他们的发现扩展到老鼠身上，证实了与斑马鱼警觉性相关的回路在哺乳动物身上也有类似的作用，它们的祖先在数亿年前从斑马鱼的祖先中分离出来。“在如此长的进化时间里，这种警觉性促进回路的紧密守恒——比人类和老鼠的血统分开的时间还要长——强烈地暗示了与人类的相关性，”戴瑟罗斯说，他是D.H.陈教授。

斯坦福大学的科学家称他们开发的新方法为MultiMAP，这是分子和活性表型的多路对齐的缩写。它可以让他们追踪斑马鱼大脑中几乎每个神经元的活动，然后确定每个感兴趣的神经元的细胞类型——这是确定哪些神经元回路参与了大脑状态的诱导(如警觉)的关键步骤。

戴瑟罗斯说:“我们观察了鱼一生中大脑中的每一个神经元，当这些细胞活跃时，我们知道哪些细胞在我们知道鱼最警觉的时候最活跃。”“然后，在不改变鱼头内细胞的相对位置的情况下，用固定剂保存鱼的脑组织后，我们可以用分子探针瞄准这些神经元，并确定它们的细胞类型。”

特别是，研究人员想要探索大脑神经调节回路的活动。大脑中98%的神经元通过刺激或抑制下游神经元的方式活动，神经调节神经元集群与它们的二元表姐妹不同，它们发出的投射在整个大脑中分支，其作用不像开/关开关，而像艺术家味觉上的颜色。它们不是兴奋或抑制，而是通过分泌使兴奋性和抑制性神经元在不同情况下或多或少兴奋的物质来增加细微差别。

不同类型的神经调节神经元不仅可以通过它们分泌的不同种类的物质(如多巴胺、乙酰胆碱和血清素)进行区分，还可以通过各种生物标记进行区分，例如出现在一种神经调节细胞类型中或其上而不是另一种神经调节细胞类型中的蛋白质。

戴瑟罗斯的研究小组观察的斑马鱼只有7-10天大，这个时候它们的身体只有几毫米长，仍然相对透明，但能够执行复杂的行为。这一特征，加上科学家们编造的一些技巧，可以对整个大脑的神经活动进行直接的光学检查。

生物工程的鱼

这条鱼经过了生物工程改造，因此神经元内的钙通量(细胞内脉冲传导的极好代理)触发了荧光信号，可以通过高倍显微镜捕捉和记录。研究人员通过将每个小动物嵌入琼脂糖凝胶来约束鱼头。他们从鱼尾上切下凝胶，鱼尾的运动将是他们实验的关键。

为了测试警觉性，研究人员给鱼一个暗示捕食者接近的视觉刺激。当鱼试图避开即将到来的危险时，它会本能地摆动尾巴。34个独立的斑马鱼被反复暴露在掠食者的刺激下。从每次暴露到鱼尾巴随之摆动的时间间隔——动物的反应时间——被测量。在每种情况下，在刺激被捕捉和记录之前，代表数万个神经细胞活动的荧光。

在人道安乐死并将鱼组织保存在固定液中后，研究小组将荧光标记的分子探针对准动物的神经元，并对结果进行成像。通过算法，他们能够将活斑马鱼实验中的神经活动数据与后来从同一条鱼身上提取的细胞身份数据相匹配。

Deisseroth和他的同事们发现，在鱼对即将到来的捕食者刺激做出最快反应之前，在解剖学和生物化学上不同的神经元群体中最活跃。其中之一是源自蓝斑的去甲肾上腺素分泌群体，众所周知，它与警觉性有关。戴瑟罗斯说，这是令人欣慰的，因为它表明这种方法是有效的。

但这张网也干扰了其他几个神经调节神经元种群，包括细胞释放乙酰胆碱、血清素、多巴胺和缩氨酸CART、生长抑素和神经肽y。虽然所有这些人群的活动水平都与警觉性相关，但它们之间的相关性并不完全一致，这表明每个人群都有自己略微不同的工作要做。

在斑马鱼研究结果的指导下，研究人员随后瞄准了更复杂的老鼠大脑中的等效神经元群。为了测试老鼠的反应时间，他们训练老鼠根据特定的音调线索来舔;当老鼠这样做时，他们得到了一滴饮用水作为奖励。

戴瑟罗斯的研究小组在这些小鼠的等效回路中观察到的活动模式几乎与他们在鱼身上观察到的完全相同。

科学家们在老鼠身上更进一步:他们使用光遗传学技术——一种由戴瑟罗斯实验室开发的技术，它允许神经元在开关的轻敲下受到光脉冲的刺激或抑制——通过在一个或另一个群体中不同地激活或抑制神经元来证明，只有相关电路的一个子集单独能够提高警觉性。一组神经元来自蓝斑；这个装置通过分泌去甲肾上腺素来运作。另一个是一组未被充分研究的所谓CART神经元，之前已知它对可卡因和安非他命有反应，位于大脑的一个叫做Edinger-Westphal核的区域;第三组是一组分泌乙酰胆碱的神经元，位于大脑深处的结构中，称为背侧被盖。其他细胞类型与警觉性相关不直接影响行为;戴瑟罗斯说，他认为这些神经调节回路，而不是直接触发警觉性，将其状态报告给其他大脑回路。

Deisseroth说，这些新发现为进一步探索开辟了一条全新的道路。“我们对警觉性等大脑状态下的神经元结构了解得越多，我们对大脑状态概念本身的理解就越多，我们甚至可以帮助设计针对大脑状态的临床干预措施。”

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