神經(jīng)元像墻上的時(shí)鐘一樣同步它們的節(jié)拍

17 世紀(jì)，荷蘭科學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 將他最近發(fā)明的兩個(gè)擺鐘掛在一根木梁上，并觀察到隨著時(shí)間的流逝，時(shí)鐘會(huì)調(diào)整它們的節(jié)拍。他在 1665 年報(bào)告了這一發(fā)現(xiàn)，他稱之為“奇怪的同情”。三個(gè)半世紀(jì)后，人們發(fā)現(xiàn)大腦中的神經(jīng)元以類似的方式同步它們的活動(dòng)。

大腦中的神經(jīng)元經(jīng)常在準(zhǔn)節(jié)奏活動(dòng)中同步，共同產(chǎn)生“腦電波”，有時(shí)甚至可以使用腦電圖從顱骨外部檢測(cè)到。以這種節(jié)奏同步有助于神經(jīng)元有效地交換信息，這對(duì)于執(zhí)行學(xué)習(xí)、記憶、注意力、感知和運(yùn)動(dòng)等重要功能至關(guān)重要。如何產(chǎn)生、維持和消除這些節(jié)律以適應(yīng)不斷變化的大腦無(wú)縫操作需求是一個(gè)積極研究的領(lǐng)域。

在今天發(fā)表在Cell Reports上的一項(xiàng)新研究中，由首席研究員 Balázs Hangya MD Ph.D. 領(lǐng)導(dǎo)的神經(jīng)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。匈牙利布達(dá)佩斯實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，大腦中的一組神經(jīng)元在去同步狀態(tài)下表現(xiàn)出不同頻率的節(jié)律活動(dòng)，就像單個(gè)時(shí)鐘一樣，但它們可以對(duì)齊它們的節(jié)律頻率，從而在激活時(shí)產(chǎn)生同步的大腦節(jié)律，類似于惠更斯實(shí)驗(yàn)中的擺鐘。

為了探索大腦的同步機(jī)制，研究小組記錄了稱為內(nèi)側(cè)隔膜的深層大腦結(jié)構(gòu)的特殊神經(jīng)元。這些神經(jīng)元形成一個(gè)“起搏器網(wǎng)絡(luò)”，它在稱為海馬體的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生 4-12 赫茲的“θ”節(jié)律，負(fù)責(zé)編碼我們所經(jīng)歷事件的情景記憶痕跡。眾所周知，海馬θ振蕩對(duì)記憶很重要，但其產(chǎn)生的確切機(jī)制尚不清楚。

“要了解內(nèi)側(cè)隔膜中的細(xì)胞如何同步，應(yīng)該同時(shí)記錄多個(gè)細(xì)胞的活動(dòng)。除了這種多通道深部腦記錄之外，還需要并行記錄海馬活動(dòng)以了解內(nèi)側(cè)隔膜的輸出信號(hào)。這在技術(shù)上仍然具有挑戰(zhàn)性，因此這些錄音只能由熟練的實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行，”Hangya 說(shuō)。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Hangya 的實(shí)驗(yàn)室與 István Ulbert、Viktor Varga 和 Szabolcs Káli 教授領(lǐng)導(dǎo)的其他小組合作，探索清醒或麻醉狀態(tài)下大鼠和小鼠的內(nèi)側(cè)隔膜“起搏器網(wǎng)絡(luò)”?；莞雇綑C(jī)制在所有測(cè)試條件下都存在，也可以通過(guò)內(nèi)側(cè)間隔“起搏器網(wǎng)絡(luò)”的詳細(xì)計(jì)算模型來(lái)重現(xiàn)。作者推測(cè)，惠更斯同步可能是跨不同物種(包括人類)大腦回路的通用同步機(jī)制。

“我認(rèn)為我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步的起源提出了一個(gè)新的想法。內(nèi)側(cè)間隔抑制細(xì)胞在局部興奮性輸入激活時(shí)同步它們的頻率這一事實(shí)以前是未知的，”該文章的第一作者 Barnabás Kocsis 說(shuō)。

大腦的同步機(jī)制在疾病中可能出錯(cuò)，導(dǎo)致記憶力和注意力問(wèn)題，甚至導(dǎo)致精神分裂癥、癲癇和阿爾茨海默病等嚴(yán)重疾病。研究人員希望更好地了解大腦網(wǎng)絡(luò)如何同步可能最終導(dǎo)致我們改進(jìn)這些疾病的治療方法。

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