在我們的大腦中有一個(gè)三維世界,。它是一個(gè)模仿外界的風(fēng)景,，在那里我們看到的物體以神經(jīng)電路和電脈沖的收集存在。
現(xiàn)在,，薩克生物研究學(xué)院（Salk Institute for Biological Studies）的科學(xué)家們正在用他們開發(fā)的新工具繪制世界,，是視覺的神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)革命性研究的一個(gè)關(guān)鍵步驟。
科學(xué)家們第一次繪成小鼠大腦區(qū)域一個(gè)接一個(gè)神經(jīng)元的地圖，該區(qū)域處理不同類型的視覺信息,，奠定了用前沿遺傳學(xué)研究技術(shù)解碼大腦電路的基礎(chǔ),，此技術(shù)只可能用在小鼠上。
"在認(rèn)知研究領(lǐng)域,，這就是將小鼠繪制在地圖上--通過將地圖繪制小鼠上",，James Marshel說，他是薩克生物研究學(xué)院的副研究員,。Marshel 和畢業(yè)于加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的Marina Garrett是文章的主要作者,，此文章在2011年12月22日的雜志Neuron上報(bào)道了此進(jìn)展。
為了理解人腦格外復(fù)雜的計(jì)算,，包括視覺認(rèn)知背后的那些東西,，科學(xué)家們大多依靠研究靈長類動(dòng)物，如猴子,，它是動(dòng)物王國中我們最近的親戚,，認(rèn)知能力的方式最象我們。
研究人員已經(jīng)確定靈長類動(dòng)物大腦的哪些部分處理不同方面的感覺信息,，這些感覺信息是他們從外界收集的,。特別是，已大量了解靈長類動(dòng)物大腦哪些區(qū)域處理視覺信息,，這有助于他們識(shí)別對(duì)象和緊接著的三維空間中的運(yùn)動(dòng),。
"我們對(duì)眼睛如何將信息輸送到大腦已經(jīng)了解很多，絕大部分大腦專門處理此信息",， 薩克系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室教授Edward Callaway說,，他的實(shí)驗(yàn)開展這項(xiàng)研究，"視覺是一個(gè)了不起的系統(tǒng),，它要用于了解大腦如何工作,，最終用于研究精神疾病和意識(shí)。"
強(qiáng)大的新科學(xué)工具層出不窮,，它們可以讓科學(xué)家們通過研究相對(duì)簡單的小鼠來更好地理解人類大腦,。這些方法允許科學(xué)家們改變基因、DNA中控制細(xì)胞行為的指令--包括形成大腦回路的神經(jīng)元,。利用遺傳學(xué)方法測(cè)繪腦連接和控制細(xì)胞活性,，科學(xué)家希望能夠產(chǎn)生出大腦詳細(xì)的布線圖和探測(cè)這些電路如何發(fā)揮功能。
"雖然小鼠不能取代猴子大腦正在做的工作,，這些用于小鼠的研究技術(shù)先進(jìn)于猴子中的",， Callaway說，"革命性神經(jīng)科學(xué)就是一種能力,，這種能力就是用遺傳學(xué)工具修改神經(jīng)活動(dòng),，也是研究大腦與神經(jīng)活動(dòng)的結(jié)果性改變。"
雖然這種小鼠中的遺傳工程技術(shù)提供了巨大潛力,，但對(duì)于小鼠視覺皮層的哪些區(qū)域還是了解很少--計(jì)算眼睛信號(hào)意義的高層次大腦區(qū)域--負(fù)責(zé)處理視覺信息的不同要素,。
為了解決這個(gè)問題，Callaway與他的同事開始著手繪制小鼠視覺處理系統(tǒng)的地圖,。他們將鈣敏性熒光染料注入小鼠,，該染料暴露于特定顏色的光時(shí)會(huì)發(fā)光。神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的鈣量根據(jù)神經(jīng)元的活動(dòng)水平而變化,，因此科學(xué)家們可以根據(jù)它們閃耀的亮度來測(cè)量大腦細(xì)胞的活動(dòng),。
然后，科學(xué)家們?cè)陔娨暠O(jiān)視器上展示了不同類型的視覺刺激,，并記錄了哪部分大腦發(fā)光,。為了做記錄，他們使用高分辨率的攝像機(jī),，它能夠辨識(shí)個(gè)別神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng),。
他們發(fā)現(xiàn)，小鼠的視野,，也就是通過其眼睛看見的三維空間區(qū)域,，是由其大腦中神經(jīng)元相應(yīng)的集合所描繪。研究人員精確地記錄了哪一個(gè)神經(jīng)元與動(dòng)物視野的哪一個(gè)區(qū)域相關(guān)聯(lián),。
科學(xué)家們研究了動(dòng)物視皮質(zhì)的七個(gè)不同區(qū)域,，它們含有可見外部世界的完整神經(jīng)元"地圖"，并發(fā)現(xiàn)每一個(gè)區(qū)域在處理視覺信息中有專門的作用,。例如,，某些區(qū)域?qū)ξ矬w空間移動(dòng)方向更為敏感，而其他區(qū)域則著重于區(qū)分細(xì)節(jié),。
有了手上這些大腦功能地圖,，薩克的研究人員和其他人就有了一條基線，可以比較用遺傳學(xué)方法操控回路功能情況下的小鼠腦功能,。Callaway說,，對(duì)小鼠大腦如何運(yùn)行的詳細(xì)理解最終將闡明人類意志的作用。
"這給了我們提供了新方法,，以便于探討意識(shí)的神經(jīng)基礎(chǔ),，確定在諸如精神分裂癥和自閉癥的疾病情況下神經(jīng)回路什么失常了"， Callaway說,。（生物谷bioon.com）
doi:10.1016/j.neuron.2011.07.005
PMC:
PMID:
New Rabies Virus Variants for Monitoring and Manipulating Activity and Gene Expression in Defined Neural Circuits
Fumitaka Osakada, Takuma Mori, Ali H. Cetin, James H. Marshel, Beatriz Virgen, Edward M. Callaway
Summary Glycoprotein-deleted (ΔG) rabies virus is a powerful tool for studies of neural circuit structure. Here, we describe the development and demonstrate the utility of new resources that allow experiments directly investigating relationships between the structure and function of neural circuits. New methods and reagents allowed efficient production of 12 novel ΔG rabies variants from plasmid DNA. These new rabies viruses express useful neuroscience tools, including the Ca2+ indicator GCaMP3 for monitoring activity; Channelrhodopsin-2 for photoactivation; allatostatin receptor for inactivation by ligand application; and rtTA, ERT2CreERT2, or FLPo, for control of gene expression. These new tools allow neurons targeted on the basis of their connectivity to have their function assayed or their activity or gene expression manipulated. Combining these tools with in vivo imaging and optogenetic methods and/or inducible gene expression in transgenic mice will facilitate experiments investigating neural circuit development, plasticity, and function that have not been possible with existing reagents.
