大脑回路研究揭示神经疾病产生机制

麻省理工大学的神经学家向这一目标迈进了一大步。8月9日发表于英国《自然》杂志上的文章揭示了两种主要的大脑细胞类型以特殊的数学方式抑制神经活动，一种是减少总活性而另一种则对活性进行划分。该文章的通讯作者神经科学教授Mriganka Sur（“the Paul E. Newton Professor”类似于“***特聘教授”等等头衔）说道：“这是简单而又意义深远的计算形式。目前神经科学的主要挑战是建立大量数据概念化的体系，进而转化为计算语言。不同类型的神经细胞如何做到这一点目前仍是个迷。”这些发现有助于深入理解诸如自闭症、精神分裂症和双相情感障碍等目前认为由大脑的抑制与兴奋失调导致的疾病。

大脑中有数百种不同类型的神经元，大部分是兴奋性神经元，少数是抑制性神经元。这两种神经元作用精确的平衡是所有感觉和认知功能的基础。抑制与兴奋失衡与自闭症和精神分裂症关系密切。Sur说（他也是麻神理工大学西蒙斯社会认知中心主任）：“越来越多的证据表明大脑中原有的抑制与兴奋的改变是许多类型的神经精神疾病的核心因素。这很有意义，因为神经精神疾病不是大脑基本功能的紊乱，而是大脑“线路”的微小紊乱并进而影响了大脑的特定部分，如社会脑。”

该项研究纳入了两种主要的抑制性神经元。一种是表达小白蛋白（parvalbumin-expressing，PV）的中间神经元，作用于神经元的胞体。另一种是表达生长抑素（somatostatin-expressing ，SOM）的中间神经元，作用于树突（神经元上作用于其他神经元的树枝状突起）。PV和SOM细胞都抑制锥体细胞（神经元的一种类型）。为了研究这些神经元的如何发挥作用，研究人员需要找到可以在体内精确刺激PV神经元或SOM神经元的方法，进而观察靶细胞（锥体细胞）的反应。研究人员在小鼠模型上对PV 或者SOM细胞进行基因改造，这样它们可以制造称为视紫红质通道的光敏蛋白，当这种蛋白镶嵌与神经元细胞膜上时，控制离子流入和流出神经元，进而改变神经细胞的电活性。通过在神经元上光照来给予神经元刺激。钙离子的水平反映细胞的电活性，通过结合以往的靶椎体细胞内钙成像，研究人员可以获得被抑制细胞抑制了的电活性水平。

Runyan解释道：“三年前，我们仅能随机记录大脑中的细胞但无法分型，但是现在我们对特定的细胞进行准确的记录和操纵。

研究人员希望找到抑制性神经元的激活是如何影响大脑对视觉传人信息的处理，这里的他们研究的视觉信息是指水平、竖直和倾斜的条纹。当上述刺激出现时，可以导致眼部的单个细胞对光点产生反应，然后传输到丘脑，最后到达视觉皮层。当上述信息在在大脑中传输时，它们的空间信息也是被记录的，因此水平条纹就激活了相应的一列大脑细胞。这些细胞同时也接受了抑制信号以协助它们反应的协调性并防止过度刺激。研究团队发现这些抑制信号具有两种不同的效果：SOM神经元产生的抑制效果为减少靶细胞的总活性，而PV神经元则对靶细胞的总活性进行划分。Wilson说：“现在我们终于有了分解神经回路的技术，可以观察每个部分的活动，我们发现这些神经网络的天然设计之中蕴含着深刻的条理性。”

这两种类型的抑制作用对不同细胞具有不同的影响。每种感觉神经元只对特定刺激产生反应，例如位置或明暗。PV神经元的对这些活动进行划分，使靶细胞对同类输入信号产生反应。而SOM神经元的作用会使能使细胞产生反应的信号范围缩小，使细胞选择性更强。与SOM神经元的抑制作用不同，提高PV神经元的抑制作用可以改变细胞反应增益，即对变化产生了反应的细胞数量。通过检测细胞细胞反应的多少。研究者假定这种神经环路在大脑中重复出现，并且在其他类型的感知和更高级别认知功能中发挥作用。

Sur教授的实验室计划在小鼠自闭症模型上检测PV和SOM抑制性神经元的功能，该自闭症模型小鼠缺乏MeCP2基因，如果缺乏MeCP2基因的话，可以出现一种罕见的类似自闭症及其他身心疾病的Rett综合征。该项目的团队计划通过他们的新技术检测神经的抑制作用的缺乏是否为精神疾病的基础病因。