《Nature》復雜大腦中的簡單數學

　　大腦具有數十億神經元，這些神經元組成復雜的回路使我們得以感知世界、控制我們的活動并作出決定。破譯大腦回路對于了解大腦工作機制以及神經學疾病致病機理非常重要。

　　日前，麻省理工大學MIT的神經學家向這一目標邁進了一大步。他們在8月9日發表于Nature雜志上的文章中，描述了兩種主要大腦細胞以特定數學方式對神經活性進行抑制，一種減少總活性(減法)而另一種則對總活性進行劃分。

　　“這是簡單而又意義深遠的計算模式，”文章資深作者神經學牛人Mriganka Sur教授說。“目前神經科學的一個主要挑戰是，要將大量數據概念化，整合為一個計算模式框架。不同類型的神經細胞如何做到這一點，這一直是一個迷。”

　　該發現能幫助科學家了解更多疾病相關信息，包括孤獨癥、精神分裂癥和雙相情感障礙等被認為由大腦抑制-興奮不平衡引起的疾病。

　　微妙的平衡

　　大腦中有數百種不同類型的神經元，大部分是興奮神經元，而少數是抑制神經元。這兩種神經元作用的微妙平衡控制著所有感知處理和認知功能。人們已經將抑制-興奮不平衡與精神分裂癥和孤獨癥等聯系起來。

　　“越來越多的證據表明，抑制-興奮平衡是許多神經精神障礙的核心，”Sur說。“這很有道理，因為神經精神障礙不是基礎性的大腦疾病，而是因為大腦回路的小混亂影響了特定大腦系統，如社會腦。”

　　研究人員針對兩種主要的抑制神經元進行了研究。一種是表達小白蛋白PV的中間神經元，靶標神經元胞體。另一種是表達生長抑素SOM的中間神經元，靶標樹突(神經元小分枝狀結構)。PV和SOM細胞都抑制錐體細胞。

　　為了研究這些神經元的影響機制，研究人員需要找到特異性激活PV 或SOM神經元的方式，然后在活體大腦中觀察錐體細胞的反應。

　　首先，研究人員將小鼠中的PV或SOM細胞進行了基因工程改造，使其產生光敏蛋白channelrhodopsin。這種蛋白在神經元細胞膜中控制離子進出，改變細胞的電活性。由此研究人員能夠通過光照刺激這些神經元。細胞的鈣離子水平可以反映其電活動，研究人員結合鈣成像技術檢測抑制神經元對錐形細胞的抑制作用。

　　“直到3年前，人們還只能盲目地對大腦細胞進行檢測，而現在我們已經能夠針對特定類型的細胞進行分析和操作，”Runyan說。

　　回路分解

　　研究人員的目的是分析抑制神經元的激活對大腦處理視覺信息的影響，這里的視覺信息是指水平、豎直和傾斜條紋。當刺激出現時，眼部的單個細胞對光點進行響應，隨后將信息傳輸到海馬體，最后到達視覺皮層。在大腦中傳輸的信息保留了空間信息，因此水平條畫面能夠激活相應的大腦細胞。

　　這些大腦細胞同時也接受了抑制信號來輔助它們響應防止過度刺激。MIT的團隊發現這些抑制信號具有兩個不同作用：SOM神經元減少目標細胞的總活性，而PV神經元對目標細胞的總活性進行劃分。

　　“現在我們終于具備了分解神經回路的技術，能夠觀察每個部分的活動，我們發現這些神經網絡背后具有深層邏輯，”Wilson說。

　　這兩種類型的抑制對細胞響應范圍的影響也不同。各感覺神經元只對特定刺激進行響應，例如明暗或者位置。PV神經元的抑制作用，使目標細胞依然能對同類輸入信號進行響應。而SOM神經元的抑制作用會縮小細胞響應的信號范圍，使細胞選擇性更強。

　　“從概念上來說，減法抑制和劃分抑制是一種很好的分工，”參與了該研究的冷泉港實驗室Tony Zador教授說。PV神經元的抑制還改變了響應增益response gain(衡量有多少細胞發生了響應)，而SOM神經元的抑制則沒有這種影響。

　　研究人員認為他們發現的回路類型很可能在整個大腦中不斷重復，并涉及其他類型的感知甚至高級認知功能。