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神经系统是如何调控机体的运动的?

2017年9月7日---本期为大家带来的是神经系统调节机体运动能力相关领域的研究进展,希望读者朋友们能够喜欢。


1. Science:证实大脑中的一个神经元环路起着指南针的作用

doi:10.1126/science.aal4835



在一项新的研究中,来自美国霍华德-休斯医学研究所的研究人员发现存在于果蝇大脑中间的一个神经元环路(a ring of neurons)起着指南针(compass)的作用,有助这种昆虫知道它在何处,它去过哪里和它将去往哪里。他们解释了他们如何扩展他们在两年前开始的研究,以及他们的发现可能对哺乳动物的内部导航意味着什么。相关研究结果于2017年5月4日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Ring attractor dynamics in the Drosophila central brain”。

正如这些研究人员注意到的那样,他们在两年前已发现大约50个神经元在果蝇大脑中间形成一个环路,并且这个神经元环路似乎起着导航的作用。从那之后,他们研究了这个神经元环路如何可能有助这种昆虫在环境中追踪其行踪。

为此,这些研究人员将果蝇固定在一根金属棒上,这根金属棒让它们呆在原处。他们随后在它们周围播放虚拟现实场景,模拟在它们的自然环境中的运动。当果蝇扇动翅膀试图在这种模拟的场景中飞行时,他们记录了这个神经元环路中的神经活性。他们发现在这个神经元环路中,单个神经元簇集会依据果蝇试图飞行的方向放电。

这些研究人员随后对这个神经元环路中的一些神经元进行基因修饰,从而使得当接受光线照射时,这些神经元会被激活。这允许他们操纵这些果蝇接受到的关于它们的飞行路线的信息。给这些神经元照射光线导致这些果蝇不能够在它们的环境中进行自我追踪,这强烈地提示着他们的观点是对的,即这个神经元环路类似于指南针。他们也开展了类似的实验:让这些果蝇在黑暗中飞行,结果发现尽管它们似乎分不清方向,但是并不清楚的是,这是由于他们的干扰,或者仅是因为它们在黑暗中具有较差的导航技巧。

正如这些研究人员指出的那样,他们的研究提供证据证实了这个神经元环路的用途,但是并没有解释它的神经元是如何被激活的,或者果蝇如何接受来自这个神经元环路的信息和利用它辅助导航。他们计划继续开展他们的研究以便观察他们是否能够找到这些问题的答案。


2. Nature Neurosci:科学家们发现果蝇飞行导航的神经学机制

DOI: 10.1038/nn.4628



最近,来自日本RIKEN脑科学研究所的科学家们发现了果蝇大脑中两种独立的,在飞行过程中形式导航功能的通路,相关结果发表在《Nature Neuroscience》杂志上。这项研究结合飞行刺激器以及激活神经元成像的手段,发现了果蝇大脑中与运动相关的两个区域。

对于大部分动物来说,成功的导航对于寻找食物,躲避天敌以及交配都是必须的,它通常需要参考很多种不同类型的信息。根据首席研究者Hokto Kazama的说法:"动物在寻找食物的过程中如果能够对自己的来路进行记忆,那么将会大大节省花费的时间"。由于这一特征在昆虫以及哺乳动物中都十分常见,因此作者希望了解其中大脑的运行过程。

此前这类研究往往是在哺乳动物以及鸟类水平开展的,而Kazama等人在希望从果蝇身上寻找突破口。这是由于果蝇的大脑更为简单,而其在寻找食物以及躲避天敌方面具有惊人的能力。

那么如何研究果蝇在飞行时的大脑变化呢?研究者们指出,其中最大的问题是需要在飞行期间对果蝇的大脑活性进行记录,而通常对大脑的研究需要首先将大脑固定,这又会妨碍果蝇的飞行。"我们设计了一个特别的飞行刺激器,在这个系统中,果蝇能够在头部被固定的状态下观察一些仿真的飞行场景。从而达到模拟飞行的目的"。在这个状态下,果蝇能够通过接收外部的多种信息产生自己在飞行的假象,从而做出相应的判断。

之后,作者利用双关子钙成像的技术观察了果蝇大脑激活的情况。结果显示,果蝇大脑中一个叫做"bulb"的机构对于整合外部信息,优化导航路线具有重要的作用。在这个结构中,信息的处理是分开进行的。例如,一组bulb神经元能够携带与界标位置有关的信息,而另外一组神经元携带与将要到达的目的地的位置的信息。这两组分开的区域事实上时候两种独立的神经元回路调节的。这确保了多种信息在传递、加工过程中不会发生相互干扰。另外也能尽量减低对空间的占用。

3. Front Physiol:“蓝光浴”能够提高运动员们的夜间表现能力
DOI: 10.3389/fphys.2017.00264
http://news.bioon.com/article/6704088.html

运动员们往往必须要在晚上进行比赛,而这个时候大部分运动员的水平可能达不到最佳状态。根据最近发表在《Frontiers in Physiology》杂志上的一篇文章,来自Basel大学的研究者们发现:通过蓝光的照射,能够提高运动员们在最后冲刺阶段的成绩。此外,蓝光对于运动员们能够达到的水平上限没有影响。

许多体育运动都在晚上进行,这是因为观众们都有时间看电视。然而,由于生物钟的关系,运动远门往往难以拿出最佳的表现水平。对此,来自Basel大学的研究者们检测了光线的照射能够弥补这一不足。在这项研究中,有74名年轻的男性运动员接受了检测。

众所周知,蓝光能够降低“睡眠”激素—褪黑激素的分泌。研究者们猜想,褪黑激素的分泌抑制能够提高运动员们在特定时间段内的表现持久力。为了验证这一假说,研究者们将志愿者随机地分为了三组,分别进行亮蓝色光照射,单色蓝光照射以及对照光照射,均为一小时,之后,作者对运动员们的表现能力进行了测试。

结果显示,暴露在蓝光下能够显著地提高运动员的表现能力,尤其是持久力。这一结论是根据比较每名运动员在第一分钟时的表现水平以及最后一分钟时的表现水平得出的。此外,运动员最后阶段表现水平的提升程度与蓝光的照射强度也有关联。光线照射能够有效地抑制褪黑激素的分泌,从而对运动员的睡眠周期进行调节。

与对照光相比,亮蓝色光线的影响则相对较小,也没有显著性差异。“由于在高水平竞技比赛中,任何微小的差别都有着决定性的影响。因此我们需要进一步的研究加以验证”。文章作者Schmidt-Trucks?ss博士说道。


4. Neuron:成体脑细胞基因编辑调控个体运动

DOI: 10.1016/j.neuron.2017.06.002



来自华盛顿大学医学院的研究者们最近开发出了一种新的技术,能够将基因转入成体大脑的特定细胞中。这一技术已经在动物水平上得到了验证。最近的这一研究结果表明,该技术能够用于改变脑回路的功能,并改变动物的行为,相关结果发表在《Neuron》杂志上。

该研究的通讯作者,来自华盛顿大学的生理学与生物物理学副教授Gregory Horwitz认为这一研究能够帮助科学家们更好地理解特定的细胞类型对大脑复杂的信号传递的功能。他们希望这一研究能够帮助开发出新的,针对特定疾病的疗法,例如癫痫等。

在这一研究中,作者们将基因插入了小脑结构的细胞内部。小脑的主要功能是负责机体的运动,小脑功能的紊乱会造成方向感的缺陷。最近的研究表明小脑对于学习有一定的作用,而且可能与自闭症以及精神分裂症的疾病的发生相关。

科学家们主要研究的是一类叫做Purkinje的细胞类型,这类细胞是以发现者,来自捷克的解剖学家Jan Evangelista Purkinje命名的。Purkinje细胞是大脑中最大的细胞类型之一,与数百种其它脑细胞存在联系。

而研究者们插入的是一种叫做channelrhodopsin-2的基因,该基因负责编码一种光敏蛋白,能够表达在脑细胞膜的表面。当收到光线刺激的时候,能够促进离子跨膜进入细胞内部,从而导致细胞的激活。

这项技术是"光遗传学"的一类,光遗传学是目前研究小鼠大脑功能的常用手段,但对于传统的光遗传学改造来说,必须通过向小鼠胚胎细胞中进行转基因操作。

Horwitz等人利用病毒载体,将特定的基因转染到了Purkinje细胞中。此外,该基因与一类在Purkinje细胞中表达水平较强的启动子相连,使其能够在转染之后获得较高水平的表达。结果显示,通过将细胞进行光线照射,能够引起细胞的激活,从而对个体的行为产生调控。

"这一试验结果表明通过修饰病毒载体能够完成成体细胞的转基因操作。下一步我们计划利用其它的启动子Udine其它类型的细胞进行转染,从而方便进一步的研究"。


5. Science:阻断哺乳动物中的分子神经修剪,有望提高运动技能

doi:10.1126/science.aan3721



在一项新的研究中,来自美国辛辛那提儿童医学中心和纽约市立大学等研究机构的研究人员在研究为何一些人遭受运动障碍(motor disabilities)时,报道通过在发育成熟中的小鼠内阻断对复杂的大脑-肢体神经连接的分子神经修剪,他们可能能够将进化时钟往回拨动。结果就是这些小鼠要比普通的野生型小鼠更快地抓住和吃食物,即具有改善的手工灵活性(manual dexterity)。相关研究结果发表在2017年7月28日的Science期刊上,论文标题为“Control of species-dependent cortico-motoneuronal connections underlying manual dexterity”。

这些研究人员强调他们并不试图培育基因更优良的啮齿类动物物种。他们正在测试神经系统在经过基因改造的模式小鼠的早期发育期间的形成。他们的目标就是理解复杂的神经连接如何在野生的幼鼠中开始形成,当这些幼鼠发育成熟时,这些神经连接如何消失,以及这种信息是否可能有朝一日有益于患者。

这项研究涉及一类被称作semaphorin的蛋白,这些蛋白控制哺乳动物皮质脊髓系统(corticospinal system)中的轴突形成和运动神经元连接。特别地,他们鉴定出一种被称作PlexA1的蛋白,即一种招募semaphorin的主要受体分子。Semaphorin阻止轴突在神经系统的不合适区域形成。

就将大部分时间花在四只爪子上的小鼠而言,一种被称作Sema6的Semaphorin蛋白与PlexA1之间的信号通路在年轻小鼠中激活。这会消除神经细胞之间的至关重要的突触连接,从而阻止复杂的皮质脊髓神经连接形成和精细的运动技能。

论文共同通信作者、辛辛那提儿童医学中心发育生物学部门首席研究员Yutaka Yoshida博士说,“我们可能发现哺乳动物皮质脊髓系统(corticospinal system)中的一个关键点,这个关键点导致高级灵长类动物和人类具有更好的精细运动控制。尽管我们仍然需要探究这一点,但是一些运动障碍患者可能具有上调的PlexA1表达或者激活的PlexA1信号,而这会减少皮质-运动神经元连接和精细运动技能。在童年时代,抑制PlexA1信号可能是一种恢复这些技能的方法。”

这项研究的关键合作者包括纽约市立大学医学院分子、细胞与生物医学科学系的John H. Martin博士、耶鲁医学院卡维里神经科学研究所的Nenad Sestan博士和Yoshida实验室研究生Zirong Gu。

培育更好的小鼠

在了解PlexA1蛋白会消除发育成熟中的小鼠体内的复杂运动神经元连接之后,这些研究人员培育出不表达这个基因的小鼠。当PlexA1突变小鼠进入成年时,它们不能够消除皮质脊髓突触连接和运动神经元连接。

在涉及短窄意大利面食和食物小球的喂养试验中,PlexA1突变小鼠比正常的小鼠显著更快地更加熟练地抓住和吃食物。

不过,当在平衡网格(balance grid)上开展的熟练行走试验(skilled walking test)中对PlexA1突变小鼠进行测试时,这些突变小鼠并不比正常的野生型小鼠表现得显著更好。

为了理解PlexA1水平在小鼠和人类中的差异,这些研究人员比较了小鼠皮质脊髓神经连接和人大脑运动皮质中的遗传调节和分子调节。这个区域控制自主运动和其他的关键技能。对人运动皮质开展的试验是在捐献的人大脑组织中开展的。

这些研究人员确定差异性的PlexA1表达是由顺式调控元件(cis-regulatory elements)导致的。顺式调控元件是非编码DNA区域,协助调节附近的基因。一种被称作FEZF2的转录因子与顺式调控元件相互作用,指导皮质脊髓神经元中的神经递质连接(neural transmitter connection)形成。

根据这些研究人员的说法,这些FEZF2控制的顺式调控元件是在人类和其他的高级灵长类动物的大脑组织中发现的,但是并未在小鼠中发现。这些顺式调控元件也负责抑制发育中的人皮质脊髓连接内的PlexA1表达,这样当婴儿在多年以后长大成人时,复杂的运动神经元连接就不会遭受破坏。

下一步的研究

Yoshida和他的同事们强调在了解这些发现是否可能最终适用于临床实践之前,还需开展广泛的进一步研究。但是他们补充道,来自这项研究的数据提供大量线索供科学家们在未来的研究中进行探索。这包括试图确定具有不同类型运动障碍的人是否在Sema6 -PlexA1分子信号通路中发生突变。


6. Neuron:科学家们鉴定出与运动能力有关的基因



众所周知,生物体的大部分遗传性状是由特定的基因所决定的。如今CUNY医学院的John H. Martin等人做出的一项研究发现基因还能够影响神经性的运动技能的掌握。这一发现将会为修复运动能力障碍等疾病提供新的思路。

John H. Martin等人与来自辛辛那提儿童医院医学中心的研究者们合作发现两种基因的缺失会导致幼鼠出现运动能力障碍的症状,这一缺陷将伴随至成年。作者发现其大脑皮层负责运动的神经中枢与脊神经之间的环路并不能够正常地相互识别,进一步导致四肢肌肉组织的激活受到阻碍。

这两类基因分别为Bax以及Bak。经过一系列的实验,作者证明这一信号下游的分子靶点对于维持大脑运动中枢、脊髓神经回路以及肌肉组织的收缩与扩张具有重要的作用。“如果在患有发育性运动障碍的患者体内也能检测到上述突变的话,那么这一发现将十分具有临床价值,并且有可能能够转化为针对性的药物”,Martin博士说道。

Martin称他相信神经活性与运动的经验共同调节了运动神经回路的成熟。“我们发现Bax/Bak信号通路对于这一过程具有十分重要的作用。这一发现将有助于更好地理解运动能力发育的分子机制”。

研究者们未来的目标是研究是否破坏Bax/Bac通路会造成人们运动能力的障碍,以及这一信号是否调节了其它哺乳动物中枢神经系统回路的组织。

相关结果发表在最近一期的《Neuron》杂志上。


7. Nat Neurosci:深度睡眠或能提高运动能力

DOI: 10.1038/nn.4601



睡一个好觉对我们来说具有很多好处,而最近来自UCSF的研究者们又发现深度睡眠对于动物大脑运动神经的发育以及运动技巧的学习十分重要。

研究者们发现,在深度睡眠阶段,大脑的慢波会强化与学习技巧有关的神经连接,而弱化与其无关的神经连接。“这一现象或许类似于“提取主旨”,以最终掌握新学习到的技巧”,改文章的作者,来自神经学系的副教授Karunesh Ganguly说道:“睡眠能够降低与学习无关的神经连接的活跃强度”。对这些机制的深入理解能够帮助我们设计出新型的医学设备,以及适用于消费者的可穿戴式设备,或者能够通过在睡眠时对大脑进行刺激以增强对技巧的记忆以及掌握的熟练度。尽管如今这些设备仅仅在清醒时被使用。

Ganguly团队利用一种大脑机器干扰(BMI)的技术深入了解了大脑在睡眠时学习新技能的机制。他们向大鼠的大脑负责运动的区域插入电极,并且让其在一种脱离式的机械设备上运动。由于神经回路的动态性,大鼠的大脑需要不断地重连以最终控制这一机械设备。就像大鼠不断地学习以学会熟练使用自己的四肢一样。“或许大脑对四肢的控制是通过某一类特定的神经元完成的,但我们能够创造出与外接设备相关的神经元连接”。

这一重连的神经元回路会使得大鼠快速实现控制外接设备的目的,之后研究者们能够追踪神经元的活性以研究大脑整合这些新形成的连接的机制。

根据最近发表在《Nature Neuroscience》杂志上的一篇文章, Gulati等人将大鼠脑部的某根神经元与电极连接,使其能够控制一个机械性的出水装置。

进一步,研究者们希望了解睡眠对于这种学习行为的实现是否有影响。“我们发现当大鼠在清醒时学习新技巧时,大脑对这一技巧的掌握实际发生于睡眠阶段”。而这一效应能够持续到小鼠再次清醒,并一次又一次地进行强化,最终导致小鼠完全掌握这一技能。

虽然此前研究已经证实睡眠对于基础代谢以及记忆的加工具有重要的作用,但大部分研究都是通过控制睡眠时间进行的。这种方法会导致很多生理异常情况的出现。为了避免这一问题,UCSF的研究者们在尽量不干扰实验对象正常睡眠的情况下进行研究。利用光遗传学的手段,作者们能够抑制大脑特定区域的神经元活性。实验结果表明睡眠时一些微小神经元的变动都会影响之前观测到的小鼠学习新技能的效率。这一发现表明睡眠对于与运动有关的技能的掌握具有重要的作用。因此要想快速学会一项运动的话,一定要记得保持充足的睡眠。


8. Neuron:科学家们找到大脑控制机体运动的新线索

DOI: 10.1016/j.neuron.2017.08.015



根据最近一项对大脑深处一个叫做"纹状体"的结构进行的研究,科学家们得出了控制动物所有活动的神经调节图谱。在这个"坐标系"中,动物相似的运动方式拥有相似的坐标方位。

这项研究是由来自哥伦比亚大学的研究者们做出的,相关结果发表在最近一期的《Neuron》杂志上。

"从耳朵到脚,机体的所有部位的运动模式都是由大脑的细胞活性所决定的。但直到如今,我们仅仅得到了有限的部分信息,而对整个图谱没有完整的认识。我们的研究则首次为大家揭示了整个图谱的原貌"。该文章的作者,来自哥伦比亚大学的神经学家Rui Costa博士说道。

纹状体参与了许多大脑活动的过程,其中最重要的就是学习以及选择运动的模式。举例来说,钢琴家需要依赖纹状体控制其弹奏的动作,以完成一场完美的音乐会。此前研究认为纹状体中的细胞通过两种不同的方式分别向外周释放两类简单信号-"油门"以及"刹车",来调控机体的运动是否进行。然而,Costa博士等人中的认为其中的调控模式更为复杂,而且两种信号的影响运动的方式也更为独特。

在这一研究中,作者向小鼠的头部固定了便携式的显微设备,这能够使得研究者对小鼠活动时纹状体中的300个神经元活动情况同时记录,同时,小鼠还装备了加速感应器,用于记录小鼠时刻的活动信息。

通过建立数学模型对收集到的信息进行分析,作者得到了纹状体调控机体运动的完整图谱。"我们发现每一种类型的运动都对应着独特的大脑活动特征",Costa博士说道。

这一发现是这一领域长期以来的一项重大突破,它破译了大脑控制运动的根本机制,同时也对帕金森病等影响机体运动的疾病的治疗提供了新的理论依据。

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