小脑,不仅仅控制平衡

来源:生物探索 发布时间:2017年03月24日 浏览次数: 【字体: 收藏 打印文章

紧挨在大脑半球后方小脑似乎总不如它的邻居受到的关注多。不同于大脑掌管人类的智力、思想和规划,并将我们人类与其他物种拉开距离。小脑,如同它的字面意思,长久以来被认为仅仅是帮助我们保持平衡及呼吸。

不过,近日发表于Nature上的一项研究颠覆了我们的传统观念。来自斯坦福研究人员表明,小脑内的神经元能够响应并学习期望奖赏。这向长期以来一直被忽视的小脑研究迈出了第一步,并且为那些对认知根源感兴趣的科学家们开辟了的研究道路。

传统思维:小脑和思考没啥关系

长期以来,科学家们一直认为,小脑帮助控制肌肉,主要是因为小脑受伤所产生的后果。该研究的共通讯作者,斯坦福大学神经科学研究所的著名华人科学家骆利群说:“如果你小脑被破坏,那么你第一个症状就是运动协调缺陷。”

诚然,有一些研究暗示小脑可能有更重要的作用。但科学家们很难弄清楚这背后的机制,部分原因是由于组成小脑的大部分神经元很难研究。这些这些神经元被称为颗粒细胞(granule cell),它们主要功能是把信号传递给浦肯野细胞。颗粒细胞数量庞大,占大脑中神经元的80%——所有的颗粒细胞都塞在小脑里,但是只占了它体积的10%。在这样高密度下,用于记录细胞活性的常规技术不能很好地起作用,并且没有实时研究颗粒细胞的有效方法,对于小脑到底做了些什么,科学家们仍然不清楚。

绿色荧光为颗粒细胞  图片来源:参考文献

新技术开启新研究领域

Mark Wagner是骆利群实验室的一个博士后研究员,他和Mark Schnitzer实验室的Tony Kim共同完成了这项研究。Wagner期初并没有打算为小脑“正名”,他只想研究小鼠中小脑如何控制肌肉。在这项实验中,Wagner使用了一种新技术,这将允许他实时记录颗粒细胞。

Wagner与Schnitzer的工作让他获得了博士学位,Schnitzer发明了一种新方法在果蝇,老鼠和其他活体动物中成像神经元活动。这种被称为双光子钙成像(two-photon calcium imaging)的方法具有Wagner研究小鼠颗粒细胞活动所需的分辨率。

为了研究运动控制,研究人员必须让小鼠移动。在这个实验中,研究人员让小鼠推动小杠杆,然后给予它们糖水奖励。Wagner记录这个过程中每只小鼠颗粒细胞的活动情况,并试图寻找这些细胞中可能与规划并执行手臂运动相关的活动。

从某种程度上来说,他的想法是对的,当动物运动时,一些颗粒细胞会放电。但是,令人意想不到是,当小鼠在等待糖水奖励时,另一些颗粒细胞也出现放电。当Wagner偷偷地拿走了糖水奖励,还是有其他颗粒细胞放电。

骆利群表示:“这其实是一个侧面观察,这些细胞实际上响应奖励。”

将大脑连接在一起

这个发现是一个启示。 50多多年来,科学家们一直认为颗粒细胞以及小脑只执行最基本的功能。但事实上,没有人有工具能仔细观察颗粒细胞的运动,“我们只是不知道。” Wagner说。

现在科学家们能更好地了解到底发生了什么,Wagner的希望是这项研究可以开启新世界的大门。 “鉴于大部分神经元都存在于小脑中,然而将小脑整合到更大的环境中以研究大脑如何处理任务,这方面取得的进展相对较少,并且大部分这种割裂开来的研究都建立在这样的假设上——小脑只参与运动任务。” Wagner说。

“我希望这项研究能允许我们将它与更广泛的大脑区域,如大脑皮层的研究统一起来,我们可以把它们放在一起研究,以弄清楚我们大脑里面发生了什么。”Wager说。

参考资料:

Scientists find a previously unknown role for the cerebellum

Cerebellar granule cells encode the expectation of reward

Baidu
map