癲癇癥病人齒狀回（dentate gyrus）中的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元被高爾基法染色。（圖片來(lái)源：wikipedia/MethoxyRoxy）
腦部往往有數(shù)十億到數(shù)千億個(gè)神經(jīng)元，并形成復(fù)雜的環(huán)路，可以讓我們感知世界，控制運(yùn)動(dòng)以及作出決定。解碼這些環(huán)路的機(jī)理對(duì)于我們來(lái)說(shuō)十分重要，因?yàn)檫@樣我們才能理解腦部是如何工作的，神經(jīng)疾病是如何產(chǎn)生的。
麻省理工學(xué)院的神經(jīng)生物學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)朝著這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)了一大步。在8月9日的一期《自然（Nature）》雜志上，他們報(bào)道了兩大類(lèi)腦細(xì)胞抑制神經(jīng)活性的數(shù)學(xué)方法：一種是用減法，從總體活性中去掉一部分；而另一種用的是除法。
這篇《自然》論文的通訊作者M(jìn)riganka Sur是Paul E. Newton神經(jīng)科學(xué)教授。他說(shuō)，“這些是非常簡(jiǎn)單，但意義卻很深遠(yuǎn)。神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)重大的挑戰(zhàn)是把大量的數(shù)據(jù)概念化，并將它們放進(jìn)可以用計(jì)算語(yǔ)言表達(dá)的框架內(nèi)。不同的細(xì)胞類(lèi)型如何完成目標(biāo)，一直是一個(gè)未解之謎?！?/span>
相關(guān)的研究可以幫助科學(xué)家對(duì)那些被認(rèn)為是腦部抑制和興奮失衡的疾病有更深刻的了解。這些疾病包括自閉癥（autism），精神分裂癥（schizophrenia）和雙向障礙（bipolar disorder）
這篇論文排在前面的作者是研究生Caroline Runyan和博士后Nathan Wilson。麻省理工學(xué)院11級(jí)的本科生Forea Wang對(duì)研究作出了貢獻(xiàn)，也在作者名單之列。
完美的平衡
腦中有數(shù)百種不同類(lèi)型的神經(jīng)元，大部分是興奮神經(jīng)元，還有一小部分是抑制神經(jīng)元。所有的感覺(jué)過(guò)程和認(rèn)知功能都由這兩種神經(jīng)元之間精確的平衡而產(chǎn)生。興奮和抑制之間的失衡已被認(rèn)為和精神分裂癥以及自閉癥有關(guān)。
Sur說(shuō)，“現(xiàn)在已經(jīng)有越來(lái)越多的證據(jù)表明，很多神經(jīng)精神疾病的核心原因是神經(jīng)系統(tǒng)中興奮和抑制作用發(fā)生了改變?！盨ur還是麻省理工學(xué)院Simons社會(huì)腦研究中心（Simons Center for the Social Brain）?！斑@其實(shí)說(shuō)得通，因?yàn)檫@些疾病并非由腦部構(gòu)建的基本方式而導(dǎo)致。它們的起因都是腦部環(huán)路出現(xiàn)了微秒的失調(diào)，并對(duì)腦部系統(tǒng)造成了特異性很強(qiáng)的影響（比如對(duì)社會(huì)腦的影響）?！?/span>
在這項(xiàng)新的《自然》論文中，研究人員考察了兩種抑制神經(jīng)元的主要類(lèi)型。一種神經(jīng)元名是parvalbumin表達(dá)（PV）中間神經(jīng)元，標(biāo)靶于神經(jīng)元的細(xì)胞體上。另一類(lèi)是somatostatin表達(dá)（SOM）中間神經(jīng)元，標(biāo)靶在的樹(shù)突上。樹(shù)突是神經(jīng)元上細(xì)小的分叉，可以投射在其他的神經(jīng)元上。PV神經(jīng)元和SOM神經(jīng)元都可以抑制一種名為椎體細(xì)胞（pyramidal cell）的神經(jīng)元。
為了研究這些神經(jīng)元是如何向其他細(xì)胞施加影響，研究人員發(fā)明了一種方法，可以特異性的激活PV神經(jīng)元或SOM神經(jīng)元。他們隨后觀察這些激活神經(jīng)元的標(biāo)靶椎體細(xì)胞的反應(yīng)。整個(gè)研究過(guò)程使用的都是活體腦部。
首先，研究人員用遺傳方法編碼了小鼠的PV或SOM細(xì)胞，讓細(xì)胞可以生產(chǎn)光敏蛋白通道視紫紅質(zhì)（channelrhodopsin）。當(dāng)通道視紫紅質(zhì)嵌入神經(jīng)元的細(xì)胞膜時(shí)，就能控制離子流進(jìn)出神經(jīng)元，改變電學(xué)活性。就這樣，研究人員可以通過(guò)向這些神經(jīng)元射光的方法激活它們。
研究團(tuán)隊(duì)還在椎體細(xì)胞內(nèi)是用了鈣成像的方法。鈣的水平可以反映細(xì)胞的電活性，讓研究人員知道研究對(duì)象的細(xì)胞活性被抑制細(xì)胞減弱了多少。
Runyan說(shuō)：“知道大約三年以前，記錄腦細(xì)胞的工作仍很盲目，逮到哪個(gè)細(xì)胞算哪個(gè)。但是現(xiàn)在我們已經(jīng)可以選擇記錄的對(duì)象，并且對(duì)特定的細(xì)胞類(lèi)型進(jìn)行操作?！?/span>
分解腦部環(huán)路
在這項(xiàng)研究中，科研人員希望知道激活抑制神經(jīng)元以后，會(huì)對(duì)視覺(jué)輸入的腦部處理過(guò)程產(chǎn)生什么樣的影響。視覺(jué)輸入包括水平、垂直和傾斜的光塊。當(dāng)這樣的視覺(jué)刺激出現(xiàn)以后，眼睛中的單個(gè)細(xì)胞會(huì)對(duì)光點(diǎn)產(chǎn)生反應(yīng)，并把信號(hào)傳輸?shù)角鹉X中，丘腦又會(huì)把信號(hào)轉(zhuǎn)至視覺(jué)皮層處。信號(hào)在腦中傳輸?shù)倪^(guò)程中始終保持空間編碼，所以水平的光塊可以激活腦部對(duì)應(yīng)的多排細(xì)胞。
抑制的信號(hào)同樣也可以作用于那些細(xì)胞，微調(diào)它們的反應(yīng)，防止刺激過(guò)度。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些抑制信號(hào)有兩種截然不同的效果：SOM神經(jīng)元的抑制可以作為減數(shù)，從標(biāo)靶細(xì)胞活性總和中減去一部分活性；而PV神經(jīng)元的抑制作用可以作為除數(shù)，去除標(biāo)靶細(xì)胞的總活性。
Wilson說(shuō)：“既然我們終于找打了可以分解腦部環(huán)路的技術(shù)，我們就能發(fā)現(xiàn)環(huán)路的每個(gè)組分都干了些什么。我們還發(fā)現(xiàn)，自然在設(shè)計(jì)腦部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有著相當(dāng)深刻的邏輯?！?/span>
這兩種抑制類(lèi)型對(duì)細(xì)胞反應(yīng)的范圍也有不同的影響。每個(gè)感覺(jué)神經(jīng)元只對(duì)特定的刺激類(lèi)型有反應(yīng)，例如某個(gè)亮度范圍或方位。當(dāng)活性除以PV抑制時(shí)，標(biāo)靶細(xì)胞仍然會(huì)對(duì)相同范圍的輸入產(chǎn)生反應(yīng)。與此相反，如果活性減去SOM抑制，讓細(xì)胞產(chǎn)生反應(yīng)的輸入范圍會(huì)變得更加狹窄，細(xì)胞的選擇性也變得更強(qiáng)。
冷泉港實(shí)驗(yàn)室的神經(jīng)科學(xué)教授Tony Zador表示：“從概念上說(shuō)，減法和除法可以很好地區(qū)分抑制類(lèi)型。像除法和減法這樣簡(jiǎn)潔優(yōu)美的理論可以和生理內(nèi)容從根本上形成對(duì)照，這點(diǎn)讓人感到很高興?！盳ador并沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。
增強(qiáng)PV神經(jīng)元的抑制還可以改變一種名為反應(yīng)增益（response gain）的特性。反應(yīng)增益是指細(xì)胞在面對(duì)相反變化時(shí)產(chǎn)生反應(yīng)的測(cè)度。SOM神經(jīng)元的抑制并不會(huì)改變反應(yīng)增益。
研究人員相信，這種環(huán)路類(lèi)型會(huì)在整個(gè)腦部中反復(fù)出現(xiàn)，并參與到其他類(lèi)型的感官知覺(jué)和更高級(jí)的認(rèn)知功能中。
Sur的實(shí)驗(yàn)室目前正計(jì)劃研究PV和SOM抑制神經(jīng)元在小鼠自閉癥模型中起到的作用。這些小鼠缺乏MeCP2基因，并因此患有蕾特氏癥(Rett Syndrome)。這是一種罕見(jiàn)的疾病，讓患者出現(xiàn)和自閉癥相似的癥狀，還會(huì)導(dǎo)致其他神經(jīng)和生理的損傷。研究人員計(jì)劃利用他們新發(fā)展出的技術(shù)，檢驗(yàn)該病以神經(jīng)元抑制功能缺乏為基礎(chǔ)的假說(shuō)。
（翻譯 靜亭）
