科技创新

神经科学家揭示了如何交织自然与培育

这是用不同颜色标记的大脑皮质神经元的“脑袋”。学分:哈佛大学Lichtman实验室。

em“自然与滋养是一个方便的单词,因为它将两个不同的头部分开,这些头部组成了无数的元素。大自然就是一个人带入自己的世界; “ - 弗朗西斯·高尔顿,1874年查尔斯·达尔文的表弟。 / em

最终塑造人类的是自然还是培育?行为和行为是基因还是环境的结果?千百年来,无数哲学家和科学家都在探索这些问题的变化。然而,随着生物学家不断更好地理解大脑功能的机制,越来越明显的是,这种长期争论的二分法可能根本就不是二分法。

在自然神经科学杂志上发表的一项研究中,来自哈佛医学院的神经科学家和系统生物学家揭示了小鼠大脑中自然和培养的交织是多么的无情。利用HMS开发的新技术,该团队通过分析暴露于光照之前和之后鼠标视觉皮层中超过114,000个体细胞,研究了单个感官体验如何影响大脑中的基因表达。

他们的研究结果揭示了所有细胞类型基因表达变化的戏剧性和多样性,涉及611种不同的基因,许多与神经连接和大脑重新接线学习和适应的能力有关。

这些结果提供了有关如何爆发的神经元活动,如何持续只有毫秒,引发大脑持久变化,并开辟新的领域,努力了解大脑的工作原理。

“从某种意义上说,我们发现的是惊人的。作为对视觉刺激的回应,几乎视觉皮层中的每个细胞都以不同的方式作出反应,“共同资深作者Michael Greenberg,神经生物学Nathan Marsh Pusey教授和HMS神经生物学系主任说。

“这实质上解决了关于自然和培育的长期问题:它是基因还是环境?这两者都是,他们如何走到一起,“他说。

很多人中的一个

神经科学家已经知道,触觉或声音,代谢变化,损伤和其他环境体验等刺激感觉体验可以触发大脑内遗传程序的激活。

由大量不同的细胞组成,大脑依赖于复杂的细胞功能管弦乐队来完成其任务。科学家们一直试图了解单个细胞如何对各种刺激作出反应。然而,由于技术限制,以前的基因研究主要集中在混合的细胞群体上,掩盖了细胞行为的关键细微差别。

为了构建更全面的图片,格林伯格与合作通讯作者Bernardo Sabatini,HMS神经生物学教授Alice和Rodman W. Moorhead III以及HMS系统生物学助理教授Allon Klein合作。

由Greenberg实验室的副主编Sinisa Hrvatin,Sabatini实验室的博士后Daniel Hochbaum和Greenberg实验室的MD-PhD学生M. Aurel Nagy率领,研究人员首先将鼠标放在完整的位置黑暗来平息视觉皮层,控制视觉的大脑区域。

然后他们将小鼠暴露于光照下,研究它如何影响大脑内的基因。他们利用Klein实验室开发的称为inDrops的技术,追踪了在光照前后数以万计的单个细胞中哪些基因被打开或关闭。

研究小组发现,在视觉皮层中的所有细胞类型(包括神经元和意外的非神经元细胞,如星形胶质细胞,巨噬细胞和排列在大脑血管中的肌肉细胞)中的基因表达发生了显着变化。

例如,大约50至70%的兴奋性神经元,无论其位置或功能如何都表现出改变。作者说,值得注意的是,大部分非神经元细胞(例如几乎一半的星形胶质细胞)也表现出了变化。

该研究小组确定了数千个光照后表达模式改变的基因,以及至少有两倍增加或减少的611个基因。

这些基因中的许多基因之前都与大脑中的结构重塑有关,这表明实际上整个视觉皮层(包括血管和肌肉细胞类型)可能经历基因控制的重新布线以响应感官体验。

神经科学家在基因表达是否可以在功能上控制神经元之间的可塑性或连通性方面存在一些争议。

“我认为我们的研究强烈表明,情况就是这样,并且每个细胞都有一个独特的遗传程序,可以根据神经回路中给定细胞的功能定制,”格林伯格说。

金矿问题

作者说,这些发现为进一步研究提供了广泛的途径。例如,遗传程序如何影响特定细胞类型的功能,它们早期或晚期的变化以及这些程序中的功能障碍如何可能导致疾病,所有这些都可以帮助科学家更多地了解大脑的基本工作原理。

“经验和环境刺激似乎几乎不断影响整个大脑的基因表达和功能。这可能有助于我们理解如何需要长期改变大脑的学习和记忆形成等过程,这些过程是神经元彼此间通过信号传递的短时间电活动引起的,“格林伯格说。

根据格林伯格的研究,一个特别有趣的调查领域包括控制基因表达以响应感官体验的调控元件。在今年早些时候在Molecular Cell上发表的一篇论文中,他和他的团队研究了FOS / JUN蛋白复合物的活性,该复合物在大脑中的许多不同细胞类型中表达,但似乎调节每种不同细胞类型的独特程序。

研究人员说,鉴定控制基因表达的调节元件是至关重要的,因为它们可能解释人类对另一个人的脑功能差异,也可能是自闭症,精神分裂症和双相性精神障碍等疾病的基础。

格林伯格说:“我们正在研究可以帮助我们更好地理解大脑如何工作的问题。 “还有一个等待被挖掘的整个勘探领域。”

出版物:Sinisa Hrvatin等,“小鼠视觉皮层中经验依赖转录组状态的单细胞分析”,Nature Neuroscience,第21卷,第120-129页(2018)doi:10.1038 / s41593-017-0029-五

来源:哈佛医学院Ekaterina Pesheva