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Nature:科学家绘制出小鼠视觉皮层的部分神经连接“布线图”

来源:科技日报 2011-04-13 17:59

英国研究人员开发出一种新技术,可助研究人员绘制出大脑神经连接的线路并弄清其主要功能,使揭开大脑之谜、开发出计算机大脑模型的梦想离现实又近了一步。相关论文发表在4月11日的《自然》杂志网站上。

这项研究属于“神经连接组学”(connectomics),是神经科学领域近年来刚刚兴起的一个新兴学科。与基因组学要研究、绘制人体基因图谱类似,神经连接组学的基础是研究和绘制出大脑神经细胞连接(即突触)的图谱,类似于电脑等电子设备中的布线。科学家希望通过绘制出这些线路并弄清其发挥功能的方式,了解大脑产生认知、感觉以及思想的过程和机理,进而为阿尔茨海默病、精神分裂症以及中风等疾病的治疗提供帮助。

然而,对于动物身上最为精密和负责的器官——大脑来说这绝非易事。据了解,在大脑中大约有1000亿个神经元,其中每一个又与数千个其他神经细胞相连,如果这么计算的话,大脑里至少有150万亿个突触。

由伦敦大学学院(UCL)开发的这项技术,通过使用一种高分辨率的成像装置实现了这一目的,并绘制出了小鼠视觉皮层的部分神经连接的“布线图”。

据负责该项研究的汤姆·马斯琪·弗洛格尔博士介绍,他们将注意力集中在了具有数千个神经元和数百万个不同连接的小鼠视觉皮层。通过一个相同的组织切片,研究人员首先利用高分辨率成像技术探测小鼠大脑视觉皮质中神经细胞对特定刺激的反应,然后在一个神经元上施加微电流刺激,并观察通过突触相连的其他神经的反应。如此反复,最终就可以追踪视觉皮质中神经细胞的功能及连接状态。除视觉皮层外,研究人员希望该技术还能帮助他们绘制出大脑中主管触觉、听觉以及运动系统的神经突触线路。

弗洛格尔说:“我们即将揭开神秘复杂的大脑。一旦弄清了位于大脑中不同层次的神经突触的功能和连接方式,我们就能用计算机来对这一世界上最复杂最为精密的器官进行模拟。”但他同时也承认:“要实现这一目的还有大量的工作要做,科学家们为此连续工作若干年后可能才有突破,并且除此之外,一台速度超快运算能力超强的计算机也将是必不可少。”

英国维康信托基金会(Wellcome Trust)神经系统科学及心理健康部负责人约翰·威廉斯说:“理解大脑内部工作原理是科学的终极目标之一。新研究为神经系统科学研究提供了一个重要工具,可以帮助科学家们在对大脑的研究中总揽全局并获得必要的指引。”(生物谷Bioon.com)

生物谷推荐原文出处:

Nature  doi:10.1038/nature09880

Functional specificity of local synaptic connections in neocortical networks

Ho Ko,1, 2 Sonja B. Hofer,1, 2 Bruno Pichler,1, 3 Katherine A. Buchanan,1 P. Jesper Sj?str?m1 & Thomas D. Mrsic-Flogel1

Neuronal connectivity is fundamental to information processing in the brain. Therefore, understanding the mechanisms of sensory processing requires uncovering how connection patterns between neurons relate to their function. On a coarse scale, long-range projections can preferentially link cortical regions with similar responses to sensory stimuli1, 2, 3, 4. But on the local scale, where dendrites and axons overlap substantially, the functional specificity of connections remains unknown. Here we determine synaptic connectivity between nearby layer 2/3 pyramidal neurons in vitro, the response properties of which were first characterized in mouse visual cortex in vivo. We found that connection probability was related to the similarity of visually driven neuronal activity. Neurons with the same preference for oriented stimuli connected at twice the rate of neurons with orthogonal orientation preferences. Neurons responding similarly to naturalistic stimuli formed connections at much higher rates than those with uncorrelated responses. Bidirectional synaptic connections were found more frequently between neuronal pairs with strongly correlated visual responses. Our results reveal the degree of functional specificity of local synaptic connections in the visual cortex, and point to the existence of fine-scale subnetworks dedicated to processing related sensory information.

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