今日，頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表了一項重量級的研究：來自 Salk 研究所的 Xin Jin 教授團(tuán)隊利用小鼠模型，揭示了大腦控制行為的潛在方式。這個發(fā)現(xiàn)也回答了幾十年來的一大爭論，對神經(jīng)科學(xué)具有重要的意義。
▲本研究的通訊作者 Xin Jin 教授與第一作者 Claire Geddes 博士（圖片來源：Salk Institute）
我們知道，動物的行為有著復(fù)雜的神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)，但我們對背后的機(jī)理卻知之甚少。舉例來說，當(dāng)我們學(xué)會系鞋帶時，我們大腦中的紋狀體會指揮一系列動作——我們先要蹲下，抓起鞋帶，再打上一個牢固的結(jié)�？雌饋砗唵螣o比的幾個動作，卻難倒了許多神經(jīng)科學(xué)家。一部分科學(xué)家們認(rèn)為，這些動作之間只是簡單的觸發(fā)關(guān)系。這就像多米諾骨牌一樣，前一個動作的發(fā)生，觸發(fā)了后一個動作；但另一些科學(xué)家們則不這么看。他們相信行為也許有一個更為復(fù)雜的組織框架，就好像是項目的流程圖一樣，有著多層調(diào)控。
“幾十年來，科學(xué)家們一直在爭論，大腦如何控制行為，”該研究的負(fù)責(zé)人 Xin Jin 教授說道：“使用光遺傳學(xué)，我們能利用光來控制腦細(xì)胞的活性，并從而改變動物個體原本想要執(zhí)行的行為。這些結(jié)果表明，行為受到了非常精準(zhǔn)的神經(jīng)控制�！�
在這項研究中，科學(xué)家們首先教會了小鼠一套“舞步”。在飼養(yǎng)小鼠的籠子中，科學(xué)家們一左一右裝上了兩根杠桿。如果小鼠按“左 - 左 - 右 - 右”的順序按下這些杠桿，就會得到獎勵。
▲同樣是“左 - 左 - 右 - 右”的舞步，研究人員們有兩種不同的解釋（圖片來源：Salk Institute）
在這些小鼠學(xué)習(xí)“舞步”的過程中，科學(xué)家們也沒忘記對它們的大腦進(jìn)行監(jiān)控。研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠按下杠桿時，大腦中的 D1 與 D2 神經(jīng)元得到了激活。它們在紋狀體中占了細(xì)胞的大多數(shù)，且對于行為的學(xué)習(xí)與執(zhí)行有著潛在的作用。
會不會是這些神經(jīng)元決定了小鼠的行為呢？為了回答這個問題，科學(xué)家們使用光遺傳學(xué)技術(shù)或是白喉毒素，分別去激活和抑制這些神經(jīng)元。而這個簡單的實驗，揭示了 D1 和 D2 神經(jīng)元對于行為的重要控制作用。
當(dāng)他們激活 D1 神經(jīng)元時，小鼠會額外按下一次杠桿。而當(dāng) D2 神經(jīng)元被激活時，小鼠則會“跳過”下一個按杠桿的動作。通過調(diào)控這兩類神經(jīng)元，科學(xué)家們闡明了大腦如何將行為順序進(jìn)行整理和學(xué)習(xí)。
▲研究人員們揭示了大腦調(diào)控行為的復(fù)雜方式（圖片來源：《細(xì)胞》）
“神經(jīng)元就像是雪花一樣（沒有兩片是相同的），”該研究的第一作者 Claire Geddes 博士說道：“D1 和 D2 神經(jīng)元有類似的模式，但它們做的工作并不一樣。它們用復(fù)雜的模式一同工作，控制行為。”
綜合這些研究結(jié)果，科學(xué)家們指出，大腦可能有著三層調(diào)控機(jī)制。最低的一層按順序執(zhí)行行為，最高的一層只在行為開始和結(jié)束時有所參與，而中間一層則在每個步驟的轉(zhuǎn)化時激活神經(jīng)元。為了便于我們理解，Salk 研究所的新聞報道里還給我們做了一個類比：最低一層調(diào)控就像是低級的管理人員一樣，負(fù)責(zé)項目的每個細(xì)節(jié)；最高一層調(diào)控就好像是公司的高管，主要負(fù)責(zé)項目的啟動和完成。而中間一層就好比是中級管理人員，在兩者之間充當(dāng)溝通者。
研究人員們表明，他們的工作揭示了神經(jīng)行為細(xì)微而又復(fù)雜的一面，有助于解釋為何我們能靈活地執(zhí)行學(xué)到的行為�！拔覍@項成果表示興奮，它解決了長期以來關(guān)于行為神經(jīng)學(xué)的一個根本問題的爭論，” Xin Jin 教授評論道：“此外，我們發(fā)現(xiàn)了不同類型的細(xì)胞如何影響我們的行為，這為許多神經(jīng)疾病的治療提供了新的洞見�！�
我們期待這項發(fā)現(xiàn)能早日轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新療法。到了那一天，諸如強(qiáng)迫癥等無法控制行為的疾病，或許將不再成為困擾。
參考資料：
[1] Optogenetic Editing Reveals the Hierarchical Organization of Learned Action Sequences
[2] How the office org chart in your brain helps to organize your actions
本文轉(zhuǎn)載自：藥明康德