麻省理工大脑如何产生有节奏的行为

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我们身体的许多功能，例如行走、呼吸和咀嚼，都是由一种称为中央振荡器的大脑回路控制的，这些回路会产生有节奏的放电模式来调节这些行为。

麻省理工学院的神经科学家现在发现了这些电路之一的神经元特性和机制。科学家发现了一种控制小鼠触觉胡须有节奏地来回扫动的振荡器。这是第一次在哺乳动物中完全表征任何此类振荡器。

图示：麻省理工学院的神经科学家确定了一组神经元，用绿色标记，形成一个控制胡须有节奏运动的电路，一种控制小鼠胡须有节奏运动的振荡电路，带有绿色神经元的荧光图像，带有额外的蓝色和红色元素。

该最新研究成果论文发表在这一期的《自然》杂志上，论文题为：“搅拌振荡器”。

该研究资深作者王凡（FanWang），是麻省理工学院脑与认知科学系的神经科学家、教授，麦戈文脑研究所研究员。她以识别触觉、疼痛和麻醉的神经回路而闻名；以及开发用于捕获激活的神经元集合(CANE)的技术，以标记和操纵由刺激或行为范式激活的神经元。

王实验室研究小组发现，搅拌振荡器由脑干中的一组抑制性神经元组成，这些神经元在搅拌过程中会发出有节奏的脉冲。当每个神经元发射时，它也会抑制网络中的其他一些神经元，从而使整个群体产生一种同步节奏，将胡须从延长的位置缩回。

她表示说，“我们在分子、电生理、功能和机械上定义了哺乳动物振荡器，”“看到哺乳动物节律如何产生的明确定义的电路和机制非常令人兴奋。”

有节奏的行为

大多数明确识别中央振荡器电路的研究都是在无脊椎动物中完成的。例如，布兰代斯大学EveMarder的实验室在龙虾和螃蟹的胃胃神经节中发现了细胞，这些细胞产生振荡活动来控制消化道的节律运动。

事实证明，对哺乳动物，尤其是清醒行为动物的振荡器进行表征是极具挑战性的。控制行走的振荡器被认为分布在整个脊髓中，因此难以精确识别所涉及的神经元和电路。产生有节奏呼吸的振荡器位于称为pre-Btzinger复合体的脑干部分，振荡器神经元的确切身份一直不完全清楚。

王说，“还没有对清醒行为动物的详细研究，人们可以从分子鉴定的振荡细胞中记录并以精确的方式操纵它们”。

在许多哺乳动物中，耳鸣是一种突出的有节奏的探索行为，它们使用它们的触须来检测物体和感知纹理。在老鼠身上，胡须以每秒约12个周期的频率伸展和收缩。几年前，王的实验室开始尝试识别控制这种振荡的细胞和机制。

为了找到晶须振荡器的位置，研究人员追溯了支配晶须肌肉的运动神经元。使用感染轴突的改良狂犬病病毒，研究人员能够在称为触须中间网状核(vIRt)的脑干部分中标记一组与这些运动神经元突触前的细胞。这一发现与先前的研究一致，表明对大脑这一部分的损害消除了搅拌。

研究人员随后发现，这些vIRt神经元中约有一半表达一种称为小白蛋白的蛋白质，并且这种细胞亚群驱动了胡须的有节奏运动。当这些神经元被沉默时，搅拌活动被取消。

接下来，研究人员记录了清醒小鼠脑干中这些表达小白蛋白的vIRt神经元的电活动，这是一项技术上具挑战性的任务，并发现这些神经元确实仅在胡须回缩期间才具有爆发性活动。因为这些神经元为胡须运动神经元提供抑制性突触输入，所以有节奏的胡须是由恒定的运动神经元伸展信号产生的，该信号被来自这些振荡细胞的有节奏的收缩信号中断。

王说，“那是一个非常令人满意和有益的时刻，看到这些细胞确实是振荡细胞，因为它们有节奏地发射，它们在回缩阶段发射，它们是抑制性神经元。”

“新的原则”

vIRt细胞的振荡爆发模式在搅拌开始时开始。当胡须不动时，这些神经元会持续放电。当研究人员阻止vIRt神经元相互抑制时，节律消失了，相反，振荡神经元只是增加了它们的连续放电率。

这种类型的网络，称为循环抑制网络，不同于在龙虾的口胃神经元中看到的振荡器类型，其中神经元本质上会产生自己的节律。

“现在我们发现了一种由所有抑制性神经元组成的哺乳动物网络振荡器，”王说。

王的实验室现在计划研究老鼠体内其他类型的振荡回路，包括那些控制咀嚼和舔舐的振荡回路。

“我们很高兴能找到这些摄食行为的振荡器，并与搅拌振荡器进行比较和对比，因为它们都在脑干中，我们想知道是否有一些共同的主题，或者是否有许多不同的方式来产生振荡器，“她说。