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“心脑相连”?艾伦研究所发现心跳时,大脑会抖动,首次揭示如何在人类大脑中实现尺度跨越

发布日期:2020-03-12  浏览次数:75

心脏跳动时大脑会发生抖动,研究人员利用这种运动更好地理解了不同类型神经元。

3月11日发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports的一项研究中,研究人员发现,通过分析一次心跳期间的神经元波形变化,可以对人类大脑中不同类型的神经元进行更精确的分类。这项研究有助于我们更好地理解大脑中不同类型的细胞如何相互作用,从而产生认识和行为。 


来自西达赛奈医疗中心 (Cedars-Sinai Medical Center) 的论文共同第一作者Clayton Mosher(另一第一作者为艾伦研究所 (Allen Institute) Yina Wei)说:“我们对植入了用于神经外科手术电极的患者的神经元进行记录,再将神经活动和心跳比对,发现很多神经元在每次心跳发生时改变了其放电模式。我们当时的反应是‘好吧,这很令人惊讶。’” 

但随着研究的深入,他们发现,并不是神经元采用了不同的放电模式,而是大脑在抖动。每发生一次心跳,大脑就跳动一次,神经元则在颅内轻微地改变其位置。研究人员得出,每一次心跳过程中神经元位移约为3微米,比一根头发要窄。神经元看似不同地放电模式就是由这种运动引起的。 

论文的通讯作者之一、艾伦研究所Costas Anastassiou (另一通讯作者为西达赛奈医疗中心Ueli Rutishauser)说:“我们的出发点——很多人认为是一种脑运动而非神经活动,他们认为是噪音、是实验的不足。我们能够表明的是,如果巧妙地应用这种自然出现的脑运动,我们可以对正在记录的神经元的性质有更多了解。这是因为在大脑中不同位置测定同一神经元的活动可以得到更多其他信息。” 

按照惯例,科学家基于神经元的波形来对其进行分类,波形即每一个神经元在处于激活状态时所发射的特征电活动模式,也就是“尖峰”。每一个神经元的波形都各不相同。通过测量波形的宽度,科学家可以将神经元分为两类:窄波形神经元、宽波形神经元。 

如今,由心跳引起的细微的脑运动使得科学家能够更精准地测量波形形状。在神经元和电极间的距离变化时,所测量的波形也在变化。通过测量这些变化,研究团队在人类海马体中鉴别出三种神经元:窄峰 (narrow spike, NS)、1型宽峰 (broad spike one, BS1)、2型宽峰 (broad spike two, BS2)。每一种都有不同的放电特性:BS1神经元与gamma波同步化活动,BS2神经元与theta波同步化活动。 

“gamma波及theta波是大脑中与认识高度相关的活动模式。目前已知的是,记忆和学习与theta震荡紧密相关,注意力与gamma针到紧密相关。” Anastassiou说。 

“最终,为了理解大脑如何工作,我们需要知道大脑中有哪些不同的细胞存在,以及这些细胞类型如何相互作用进而产生认识和行为,”Anastassiou说,“人们需要具备跨尺度能力,才能说微观世界的变化导致了宏观世界中行为现象的发生。我们的研究首次揭示了如何在人类大脑中实现尺度跨越。” 

神经科学的一大挑战是,神经元在人体内及脑片分离状态下的行为方式总是存在区别。通过对人类大脑组织的活动记录,研究人员可以构建出模拟神经元生物物理学特征及形态学的单细胞模型。该模型作为一种全新的分类神经元工具,在体内 (in vivo) 脑活动记录和体外 (ex vivo) 脑片活动记录中架起了桥梁。人类神经元的计算机模型可用于理解植入电极的人体内所得信号。 

Mosher说:“最终,我们想知道的是:一,人类大脑中不同类型的神经元如何作用于认识和行为;二,心跳及呼吸反过来如何影响认识或行为。”

论文链接:

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30188-1


本文转自:Bioword



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