解放軍306醫院，腦科醫院，資料

1. Science：證實大腦中的一個神經元環路起著指南針的作用

doi:10.1126/science.aal4835

在一項新的研究中，來自美國霍華德-休斯醫學研究所的研究人員發現存在於果蠅大腦中間的一個神經元環路（a ring of neurons）起著指南針（compass）的作用，有助這種昆蟲知道它在何處，它去過哪裡和它將去往哪裡。他們解釋了他們如何擴展他們在兩年前開始的研究，以及他們的發現可能對哺乳動物的內部導航意味著什麼。相關研究結果於2017年5月4日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Ring attractor dynamics in the Drosophila central brain」。

正如這些研究人員注意到的那樣，他們在兩年前已發現大約50個神經元在果蠅大腦中間形成一個環路，並且這個神經元環路似乎起著導航的作用。從那之後，他們研究了這個神經元環路如何可能有助這種昆蟲在環境中追蹤其行蹤。

為此，這些研究人員將果蠅固定在一根金屬棒上，這根金屬棒讓它們呆在原處。他們隨後在它們周圍播放虛擬現實場景，模擬在它們的自然環境中的運動。當果蠅扇動翅膀試圖在這種模擬的場景中飛行時，他們記錄了這個神經元環路中的神經活性。他們發現在這個神經元環路中，單個神經元簇集會依據果蠅試圖飛行的方向放電。

這些研究人員隨後對這個神經元環路中的一些神經元進行基因修飾，從而使得當接受光線照射時，這些神經元會被激活。這允許他們操縱這些果蠅接受到的關於它們的飛行路線的信息。給這些神經元照射光線導致這些果蠅不能夠在它們的環境中進行自我追蹤，這強烈地提示著他們的觀點是對的，即這個神經元環路類似於指南針。他們也開展了類似的實驗：讓這些果蠅在黑暗中飛行，結果發現儘管它們似乎分不清方向，但是並不清楚的是，這是由於他們的干擾，或者僅是因為它們在黑暗中具有較差的導航技巧。

正如這些研究人員指出的那樣，他們的研究提供證據證實了這個神經元環路的用途，但是並沒有解釋它的神經元是如何被激活的，或者果蠅如何接受來自這個神經元環路的信息和利用它輔助導航。他們計劃繼續開展他們的研究以便觀察他們是否能夠找到這些問題的答案。

2. Nature Neurosci：科學家們發現果蠅飛行導航的神經學機制

DOI: 10.1038/nn.4628

最近，來自日本RIKEN腦科學研究所的科學家們發現了果蠅大腦中兩種獨立的，在飛行過程中形式導航功能的通路，相關結果發表在《Nature Neuroscience》雜誌上。這項研究結合飛行刺激器以及激活神經元成像的手段，發現了果蠅大腦中與運動相關的兩個區域。

對於大部分動物來說，成功的導航對於尋找食物，躲避天敵以及交配都是必須的，它通常需要參考很多種不同類型的信息。根據首席研究者Hokto Kazama的說法："動物在尋找食物的過程中如果能夠對自己的來路進行記憶，那麼將會大大節省花費的時間"。由於這一特徵在昆蟲以及哺乳動物中都十分常見，因此作者希望了解其中大腦的運行過程。

此前這類研究往往是在哺乳動物以及鳥類水平開展的，而Kazama等人在希望從果蠅身上尋找突破口。這是由於果蠅的大腦更為簡單，而其在尋找食物以及躲避天敵方面具有驚人的能力。

那麼如何研究果蠅在飛行時的大腦變化呢？研究者們指出，其中最大的問題是需要在飛行期間對果蠅的大腦活性進行記錄，而通常對大腦的研究需要首先將大腦固定，這又會妨礙果蠅的飛行。"我們設計了一個特別的飛行刺激器，在這個系統中，果蠅能夠在頭部被固定的狀態下觀察一些模擬的飛行場景。從而達到模擬飛行的目的"。在這個狀態下，果蠅能夠通過接收外部的多種信息產生自己在飛行的假象，從而做出相應的判斷。

之後，作者利用雙關子鈣成像的技術觀察了果蠅大腦激活的情況。結果顯示，果蠅大腦中一個叫做"bulb"的機構對於整合外部信息，優化導航路線具有重要的作用。在這個結構中，信息的處理是分開進行的。例如，一組bulb神經元能夠攜帶與界標位置有關的信息，而另外一組神經元攜帶與將要到達的目的地的位置的信息。這兩組分開的區域事實上時候兩種獨立的神經元迴路調節的。這確保了多種信息在傳遞、加工過程中不會發生相互干擾。另外也能盡量減低對空間的佔用。

3. Front Physiol：「藍光浴」能夠提高運動員們的夜間表現能力

DOI: 10.3389/fphys.2017.00264

運動員們往往必須要在晚上進行比賽，而這個時候大部分運動員的水平可能達不到最佳狀態。根據最近發表在《Frontiers in Physiology》雜誌上的一篇文章，來自Basel大學的研究者們發現：通過藍光的照射，能夠提高運動員們在最後衝刺階段的成績。此外，藍光對於運動員們能夠達到的水平上限沒有影響。

許多體育運動都在晚上進行，這是因為觀眾們都有時間看電視。然而，由於生物鐘的關係，運動遠門往往難以拿出最佳的表現水平。對此，來自Basel大學的研究者們檢測了光線的照射能夠彌補這一不足。在這項研究中，有74名年輕的男性運動員接受了檢測。

眾所周知，藍光能夠降低「睡眠」激素—褪黑激素的分泌。研究者們猜想，褪黑激素的分泌抑制能夠提高運動員們在特定時間段內的表現持久力。為了驗證這一假說，研究者們將志願者隨機地分為了三組，分別進行亮藍色光照射，單色藍光照射以及對照光照射，均為一小時，之後，作者對運動員們的表現能力進行了測試。

結果顯示，暴露在藍光下能夠顯著地提高運動員的表現能力，尤其是持久力。這一結論是根據比較每名運動員在第一分鐘時的表現水平以及最後一分鐘時的表現水平得出的。此外，運動員最後階段表現水平的提升程度與藍光的照射強度也有關聯。光線照射能夠有效地抑制褪黑激素的分泌，從而對運動員的睡眠周期進行調節。

與對照光相比，亮藍色光線的影響則相對較小，也沒有顯著性差異。「由於在高水平競技比賽中，任何微小的差別都有著決定性的影響。因此我們需要進一步的研究加以驗證」。文章作者Schmidt-Trucks?ss博士說道。

4. Neuron：成體腦細胞基因編輯調控個體運動

DOI: 10.1016/j.neuron.2017.06.002

來自華盛頓大學醫學院的研究者們最近開發出了一種新的技術，能夠將基因轉入成體大腦的特定細胞中。這一技術已經在動物水平上得到了驗證。最近的這一研究結果表明，該技術能夠用於改變腦迴路的功能，並改變動物的行為，相關結果發表在《Neuron》雜誌上。

該研究的通訊作者，來自華盛頓大學的生理學與生物物理學副教授Gregory Horwitz認為這一研究能夠幫助科學家們更好地理解特定的細胞類型對大腦複雜的信號傳遞的功能。他們希望這一研究能夠幫助開發出新的，針對特定疾病的療法，例如癲癇等。

在這一研究中，作者們將基因插入了小腦結構的細胞內部。小腦的主要功能是負責機體的運動，小腦功能的紊亂會造成方向感的缺陷。最近的研究表明小腦對於學習有一定的作用，而且可能與自閉症以及精神分裂症的疾病的發生相關。

科學家們主要研究的是一類叫做Purkinje的細胞類型，這類細胞是以發現者，來自捷克的解剖學家Jan Evangelista Purkinje命名的。Purkinje細胞是大腦中最大的細胞類型之一，與數百種其它腦細胞存在聯繫。

而研究者們插入的是一種叫做channelrhodopsin-2的基因，該基因負責編碼一種光敏蛋白，能夠表達在腦細胞膜的表面。當收到光線刺激的時候，能夠促進離子跨膜進入細胞內部，從而導致細胞的激活。

這項技術是"光遺傳學"的一類，光遺傳學是目前研究小鼠大腦功能的常用手段，但對於傳統的光遺傳學改造來說，必須通過向小鼠胚胎細胞中進行轉基因操作。

Horwitz等人利用病毒載體，將特定的基因轉染到了Purkinje細胞中。此外，該基因與一類在Purkinje細胞中表達水平較強的啟動子相連，使其能夠在轉染之後獲得較高水平的表達。結果顯示，通過將細胞進行光線照射，能夠引起細胞的激活，從而對個體的行為產生調控。

"這一試驗結果表明通過修飾病毒載體能夠完成成體細胞的轉基因操作。下一步我們計劃利用其它的啟動子Udine其它類型的細胞進行轉染，從而方便進一步的研究"。

5. Science：阻斷哺乳動物中的分子神經修剪，有望提高運動技能

doi:10.1126/science.aan3721

在一項新的研究中，來自美國辛辛那提兒童醫學中心和紐約市立大學等研究機構的研究人員在研究為何一些人遭受運動障礙（motor disabilities）時，報道通過在發育成熟中的小鼠內阻斷對複雜的大腦-肢體神經連接的分子神經修剪，他們可能能夠將進化時鐘往回撥動。結果就是這些小鼠要比普通的野生型小鼠更快地抓住和吃食物，即具有改善的手工靈活性（manual dexterity）。相關研究結果發表在2017年7月28日的Science期刊上，論文標題為「Control of species-dependent cortico-motoneuronal connections underlying manual dexterity」。

這些研究人員強調他們並不試圖培育基因更優良的嚙齒類動物物種。他們正在測試神經系統在經過基因改造的模式小鼠的早期發育期間的形成。他們的目標就是理解複雜的神經連接如何在野生的幼鼠中開始形成，當這些幼鼠發育成熟時，這些神經連接如何消失，以及這種信息是否可能有朝一日有益於患者。

這項研究涉及一類被稱作semaphorin的蛋白，這些蛋白控制哺乳動物皮質脊髓系統（corticospinal system）中的軸突形成和運動神經元連接。特別地，他們鑒定出一種被稱作PlexA1的蛋白，即一種招募semaphorin的主要受體分子。Semaphorin阻止軸突在神經系統的不合適區域形成。

就將大部分時間花在四隻爪子上的小鼠而言，一種被稱作Sema6的Semaphorin蛋白與PlexA1之間的信號通路在年輕小鼠中激活。這會消除神經細胞之間的至關重要的突觸連接，從而阻止複雜的皮質脊髓神經連接形成和精細的運動技能。

論文共同通信作者、辛辛那提兒童醫學中心發育生物學部門首席研究員Yutaka Yoshida博士說，「我們可能發現哺乳動物皮質脊髓系統（corticospinal system）中的一個關鍵點，這個關鍵點導致高級靈長類動物和人類具有更好的精細運動控制。儘管我們仍然需要探究這一點，但是一些運動障礙患者可能具有上調的PlexA1表達或者激活的PlexA1信號，而這會減少皮質-運動神經元連接和精細運動技能。在童年時代，抑制PlexA1信號可能是一種恢復這些技能的方法。」

這項研究的關鍵合作者包括紐約市立大學醫學院分子、細胞與生物醫學科學系的John H. Martin博士、耶魯醫學院卡維里神經科學研究所的Nenad Sestan博士和Yoshida實驗室研究生Zirong Gu。

培育更好的小鼠

在了解PlexA1蛋白會消除發育成熟中的小鼠體內的複雜運動神經元連接之後，這些研究人員培育出不表達這個基因的小鼠。當PlexA1突變小鼠進入成年時，它們不能夠消除皮質脊髓突觸連接和運動神經元連接。

在涉及短窄義大利麵食和食物小球的餵養試驗中，PlexA1突變小鼠比正常的小鼠顯著更快地更加熟練地抓住和吃食物。

不過，當在平衡網格（balance grid）上開展的熟練行走試驗（skilled walking test）中對PlexA1突變小鼠進行測試時，這些突變小鼠並不比正常的野生型小鼠表現得顯著更好。

為了理解PlexA1水平在小鼠和人類中的差異，這些研究人員比較了小鼠皮質脊髓神經連接和人大腦運動皮質中的遺傳調節和分子調節。這個區域控制自主運動和其他的關鍵技能。對人運動皮質開展的試驗是在捐獻的人大腦組織中開展的。

這些研究人員確定差異性的PlexA1表達是由順式調控元件（cis-regulatory elements）導致的。順式調控元件是非編碼DNA區域，協助調節附近的基因。一種被稱作FEZF2的轉錄因子與順式調控元件相互作用，指導皮質脊髓神經元中的神經遞質連接（neural transmitter connection）形成。

根據這些研究人員的說法，這些FEZF2控制的順式調控元件是在人類和其他的高級靈長類動物的大腦組織中發現的，但是並未在小鼠中發現。這些順式調控元件也負責抑制發育中的人皮質脊髓連接內的PlexA1表達，這樣當嬰兒在多年以後長大成人時，複雜的運動神經元連接就不會遭受破壞。

下一步的研究

Yoshida和他的同事們強調在了解這些發現是否可能最終適用於臨床實踐之前，還需開展廣泛的進一步研究。但是他們補充道，來自這項研究的數據提供大量線索供科學家們在未來的研究中進行探索。這包括試圖確定具有不同類型運動障礙的人是否在Sema6 -PlexA1分子信號通路中發生突變。

6. Neuron：科學家們鑒定出與運動能力有關的基因

眾所周知，生物體的大部分遺傳性狀是由特定的基因所決定的。如今CUNY醫學院的John H. Martin等人做出的一項研究發現基因還能夠影響神經性的運動技能的掌握。這一發現將會為修復運動能力障礙等疾病提供新的思路。

John H. Martin等人與來自辛辛那提兒童醫院醫學中心的研究者們合作發現兩種基因的缺失會導致幼鼠出現運動能力障礙的癥狀，這一缺陷將伴隨至成年。作者發現其大腦皮層負責運動的神經中樞與脊神經之間的環路並不能夠正常地相互識別，進一步導致四肢肌肉組織的激活受到阻礙。

這兩類基因分別為Bax以及Bak。經過一系列的實驗，作者證明這一信號下游的分子靶點對於維持大腦運動中樞、脊髓神經迴路以及肌肉組織的收縮與擴張具有重要的作用。「如果在患有發育性運動障礙的患者體內也能檢測到上述突變的話，那麼這一發現將十分具有臨床價值，並且有可能能夠轉化為針對性的藥物」，Martin博士說道。

Martin稱他相信神經活性與運動的經驗共同調節了運動神經迴路的成熟。「我們發現Bax/Bak信號通路對於這一過程具有十分重要的作用。這一發現將有助於更好地理解運動能力發育的分子機制」。

研究者們未來的目標是研究是否破壞Bax/Bac通路會造成人們運動能力的障礙，以及這一信號是否調節了其它哺乳動物中樞神經系統迴路的組織。

相關結果發表在最近一期的《Neuron》雜誌上。

7. Nat Neurosci：深度睡眠或能提高運動能力

DOI: 10.1038/nn.4601

睡一個好覺對我們來說具有很多好處，而最近來自UCSF的研究者們又發現深度睡眠對於動物大腦運動神經的發育以及運動技巧的學習十分重要。

研究者們發現，在深度睡眠階段，大腦的慢波會強化與學習技巧有關的神經連接，而弱化與其無關的神經連接。「這一現象或許類似於「提取主旨」，以最終掌握新學習到的技巧」，改文章的作者，來自神經學系的副教授Karunesh Ganguly說道：「睡眠能夠降低與學習無關的神經連接的活躍強度」。對這些機制的深入理解能夠幫助我們設計出新型的醫學設備，以及適用於消費者的可穿戴式設備，或者能夠通過在睡眠時對大腦進行刺激以增強對技巧的記憶以及掌握的熟練度。儘管如今這些設備僅僅在清醒時被使用。

Ganguly團隊利用一種大腦機器干擾（BMI）的技術深入了解了大腦在睡眠時學習新技能的機制。他們向大鼠的大腦負責運動的區域插入電極，並且讓其在一種脫離式的機械設備上運動。由於神經迴路的動態性，大鼠的大腦需要不斷地重連以最終控制這一機械設備。就像大鼠不斷地學習以學會熟練使用自己的四肢一樣。「或許大腦對四肢的控制是通過某一類特定的神經元完成的，但我們能夠創造出與外接設備相關的神經元連接」。

這一重連的神經元迴路會使得大鼠快速實現控制外接設備的目的，之後研究者們能夠追蹤神經元的活性以研究大腦整合這些新形成的連接的機制。

根據最近發表在《Nature Neuroscience》雜誌上的一篇文章, Gulati等人將大鼠腦部的某根神經元與電極連接，使其能夠控制一個機械性的出水裝置。

進一步，研究者們希望了解睡眠對於這種學習行為的實現是否有影響。「我們發現當大鼠在清醒時學習新技巧時，大腦對這一技巧的掌握實際發生於睡眠階段」。而這一效應能夠持續到小鼠再次清醒，並一次又一次地進行強化，最終導致小鼠完全掌握這一技能。

雖然此前研究已經證實睡眠對於基礎代謝以及記憶的加工具有重要的作用，但大部分研究都是通過控制睡眠時間進行的。這種方法會導致很多生理異常情況的出現。為了避免這一問題，UCSF的研究者們在盡量不干擾實驗對象正常睡眠的情況下進行研究。利用光遺傳學的手段，作者們能夠抑制大腦特定區域的神經元活性。實驗結果表明睡眠時一些微小神經元的變動都會影響之前觀測到的小鼠學習新技能的效率。這一發現表明睡眠對於與運動有關的技能的掌握具有重要的作用。因此要想快速學會一項運動的話，一定要記得保持充足的睡眠。

8. Neuron：科學家們找到大腦控制機體運動的新線索

DOI: 10.1016/j.neuron.2017.08.015

根據最近一項對大腦深處一個叫做"紋狀體"的結構進行的研究，科學家們得出了控制動物所有活動的神經調節圖譜。在這個"坐標系"中，動物相似的運動方式擁有相似的坐標方位。

這項研究是由來自哥倫比亞大學的研究者們做出的，相關結果發表在最近一期的《Neuron》雜誌上。

"從耳朵到腳，機體的所有部位的運動模式都是由大腦的細胞活性所決定的。但直到如今，我們僅僅得到了有限的部分信息，而對整個圖譜沒有完整的認識。我們的研究則首次為大家揭示了整個圖譜的原貌"。該文章的作者，來自哥倫比亞大學的神經學家Rui Costa博士說道。

紋狀體參與了許多大腦活動的過程，其中最重要的就是學習以及選擇運動的模式。舉例來說，鋼琴家需要依賴紋狀體控制其彈奏的動作，以完成一場完美的音樂會。此前研究認為紋狀體中的細胞通過兩種不同的方式分別向外周釋放兩類簡單信號-"油門"以及"剎車"，來調控機體的運動是否進行。然而，Costa博士等人中的認為其中的調控模式更為複雜，而且兩種信號的影響運動的方式也更為獨特。

在這一研究中，作者向小鼠的頭部固定了攜帶型的顯微設備，這能夠使得研究者對小鼠活動時紋狀體中的300個神經元活動情況同時記錄，同時，小鼠還裝備了加速感應器，用於記錄小鼠時刻的活動信息。

通過建立數學模型對收集到的信息進行分析，作者得到了紋狀體調控機體運動的完整圖譜。"我們發現每一種類型的運動都對應著獨特的大腦活動特徵"，Costa博士說道。

這一發現是這一領域長期以來的一項重大突破，它破譯了大腦控制運動的根本機制，同時也對帕金森病等影響機體運動的疾病的治療提供了新的理論依據。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！