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  • 發布時間:2017-05-11 11:59 原文鏈接: 《Nature》給老鼠做了記憶手術以后……

      大腦內某個被經常忽視的卵形結構,曾經一直被認為只是思維傳導的“繼電器”,5月3日,Nature和其子刊Nature Neuroscience同期報道了3篇有關丘腦(thalamus)的文章,顛覆了人們對高等動物丘腦的認識。

      這三篇由美國國立衛生研究院(NIH)共同資助的報道表明,丘腦掌管著分辨事物和把持思維記憶的能力。

      通過操縱丘腦神經元的活動,科學家們竟然可以控制動物記憶如何找到獎勵食物的能力。研究人員說,未來我們可能通過干預丘腦活動,來治療包括認知障礙和精神分裂的精神疾病。

      “如果把大腦比作管弦樂隊,我們的結果表明,丘腦很可能就是一名指揮,”紐約大學Langone醫學中心的Michael Halassa博士說。

      三個獨立研究分別由Halassa(丘腦能通過放大皮質層連通性維持注意的維持,Nature),Christoph Kellendonk博士(丘腦投射維持處于工作記憶狀態下的前額活動,Nature Neuroscience)和Karel Svoboda博士(前額丘腦皮層環路持續活動的狀態保持,Nature)領導。

      現今普遍認為的丘腦起“繼電器”作用的觀點,是建立在“它與大腦感官輸入區域連接”的基礎上。但是,丘腦與大腦其他部分其實是有許多聯系的,并且這些聯系仍有待探索。

      兩個小組(Halassa和Kellendonk)研究了電路的丘腦中上部與前額皮質(prefrontal cortex,PFC)關聯的神經電路。

      PFC是大腦的思維和決策中心。腦成像研究發現,在精神分裂患者中,這部分神經電路的連接顯著減少,并且患者經常出現工作記憶障礙。

      使用光遺傳學手段抑制丘腦神經元活動后,小鼠喪失了正確選擇暗門的能力,相反,增強刺激丘腦神經元后,小鼠的工作記憶任務完成的更好了。

      Halassa和同事們讓老鼠記憶有關類別區分的信息,這些信息能暗示老鼠哪扇暗門后隱藏著獎勵的牛奶。同時檢測老鼠的神經活動。在過去,我們只知曉丘腦大致的結構和功能,Halassa研究組的研究特化了它的具體功能是幫助工作記憶信息的保存。

      丘腦幫助保存的是什么樣的信息?研究人員在PFC中發現了一組神經元,這些神經元能儲存如選擇正確暗門這類信息。他們證明丘腦并沒有(至少在本研究中)控制或者轉換這類信息,反而通過提高與PFC內這組神經元的同步活動(或功能連接),開始放大PFC中有助于記憶保存的重要信息。

      Kellendonk課題組在測試老鼠在迷宮中找牛奶的能力時,看到了類似的結果。動物記憶獲得獎勵前的所有轉向(向左或向右)時,會出現一個短暫的停頓。也是利用光遺傳學手段,Gordan研究了PFC神經元中的另外一個亞群——大腦的記憶中心“海馬(hippocampus)”。

      當動物停頓下來檢索記憶時,大腦內部發生了什么?答案是,在這段短暫的延遲時間里,丘腦通過穩定的活動,向PFC輸入了維持工作記憶的指令。從PFC傳回丘腦的“自上而下”的信號支持了記憶檢索功能,并指導動物采取行動。同時,海馬也需要向PFC神經元輸入獎勵所在位置的相關信息。

      “令人驚訝的是,我們發現了PFC的兩個獨立的神經元群體。一個用于編碼空間位置,同時需要海馬向該區域輸入相關信息,另一個是用于內存維護,需要丘腦向該區域輸入指令,”Kellendonk說。“這是一項具有轉化意義的結果,有關這一電路出錯導致工作記憶不足的進一步研究,可提高精神分裂癥的診斷方法,并提出更具針對性的治療方法。”

      Svoboda小組的研究結果表明,丘腦通過與皮質(cortex)進行雙向互動,在維持短期記憶中扮演重要角色。當處于路口時,老鼠需要停頓幾秒鐘,才能選擇正確的方向。此時,研究小組發現,丘腦與運動皮質層的一部分發生了互動。神經元電監視顯示,這兩個結構都出現了明顯的活動,表明是它們的共同作用,使皮質層內的有關方向的信息得到了維持。光遺傳探針指示,這兩部分的對話是雙向的,皮層活動依賴于丘腦,反之亦然。也就是說,皮質電路無法獨立工作,它需要其他多個大腦區域的相互參與,這其中也包括關鍵樞紐——丘腦。

      簡單來說,小鼠模型的實驗結果表明,丘腦對哺乳動物的“認路”功能具有重要影響。不僅如此,其他類似的短期記憶功能也與它有著千絲萬縷的聯系。試想,這部分區域被有效激活和訓練后,很多與記憶障礙相關的難題將迎刃而解。


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