校友发现控制大脑的机制校友发现控制大脑的机制积极表达的力量积极表达的力量

这可能很复杂,但概念就像电灯开关一样简单。

由两位哈佛校友领导的一组研究人员在斑马鱼幼仔的大脑中发现了一种类似开关的机制,它能在两种截然不同的动机状态之间翻转它们的大脑——一种是高度专注的狩猎状态,另一种是容易分心的探索状态。

他们在《自然》(Nature)杂志上详细介绍了这些发现,这些发现可以解释大脑如何在内部状态之间转换,并协调这种大脑范围内的转变,从而在特定时间段内导致动机、注意力和行为的巨大变化。

“一旦你在生活中有了(大脑必须解决的)多个目标,你就会有一场拔河比赛。这篇论文的主要作者之一、哈佛大学罗兰研究所(Rowland Institute)前研究员德鲁·罗布森(Drew Robson)博士说。“大脑必须有某种方式来决定现在谁才是真正的掌权者。此时此刻我应该优先考虑哪个目标?”

大脑是如何做到这一点的一直是个谜,因为它发生在大脑深处,很难想象,尤其是在像人类这样的复杂动物身上。这就是为什么斑马鱼已经成为像罗布森这样的大脑研究人员的模型生物的原因之一。幼体斑马鱼的大脑中有10万个神经元,它的边缘系统与人类相似,它有薄而透明的皮肤,科学家可以用显微镜分析它的神经活动。

在这项研究中,研究人员描述了他们使用一个追踪显微镜来精确定位埋藏在斑马鱼大脑深处的一个含5 -羟色胺神经元中枢。这个中枢位于斑马鱼的中缝背部,这是位于大脑底部的一小簇神经元,它的触角延伸到大脑的大部分区域。这些神经元是斑马鱼动机状态的主调节器。

在斑马鱼身上,研究人员研究的开关机制产生了一种强大的信号,他们认为这种信号可以促进某些行为和动作,同时在一定时间内抑制其他行为。

“正常情况下,当你想到神经元之间如何交流时,你会有一个神经元选择性地连接到其他神经元。这不是这些细胞工作的方式,”13年的Jennifer Li博士说,她是另一位主要作者,也是罗兰研究所的前研究员。“当这些细胞发出信号时,大脑中几乎所有其他细胞都在倾听。它们不是一种狭隘地从一个信息渠道到另一个信息渠道进行通信的方式。它们发出的信号会传播到你的整个大脑。”

李说,这是有道理的,因为这种类型的系统正是设置全球大脑状态所需要的。有趣的是,大脑会自然地为此设置一个计时器,她补充道。

当斑马鱼的首要任务是捕猎时,转换机制就会立即启动,这不仅使斑马鱼成为更有动力、更有效的捕猎者,因为大脑中放大与捕猎相关的运动功能的细胞——比如高度精确的转弯——也会得到强化。这种状态大约持续5到8分钟,在图表中,它看起来像一个三角形。罗布森说:“它上升到一个非常高的水平,然后慢慢下降,就像电池放电一样。”

在相反的状态下,当信号完全释放时,与狩猎有关的技能和欲望被抑制,动物似乎更有兴趣探索它的环境和走更远的距离。在这种状态下,即使斑马鱼饿了,看到了猎物,它通常也不会注意到它,表现出不同的内在优先顺序。事实上,当它试图在探索状态下捕猎时,研究人员报告说,鱼更有可能失败。

研究人员推测,斑马鱼之所以会做出这种转变,是因为它在平衡两种相互竞争的优先选择:吃和不被吃。这些发现引发了一个问题:一个专注的状态可以维持多久,甚至可以控制多久。

李说:“你不希望动物在无限长的时间里都全神贯注,因为这不是动物生存的方式。”“他们必须改变这种状态,这样才能平衡生活中的其他目标。”

该实验于2017年在罗兰研究所(Rowland Institute)开始,研究人员在那里领导了一个联合实验室,并于2019年9月完成,之后他们将实验室搬到了德国的马克斯·普朗克生物控制论研究所(Max Planck Institute for Biological Cybernetics)。在长达50-80分钟的时间里,追踪显微镜跟踪了在一个比它们身体大8倍的竞技场上的斑马鱼,观察它们游泳和狩猎的过程。研究人员把猎物(草履虫)放在同一个地方,然后观察斑马鱼的行为。当他们分析神经数据时,他们发现了开关机制的动态和动物行为之间的联系。他们的驾驶问题是这种捕食或被捕食的行为是随机的还是更有组织的。

研究结果提出了这样一个问题:大脑的不同区域如何倾听并解释来自类似调节中枢的信号。

“基于这篇论文的研究结果,我们认为大脑的特定区域对广播信号的反应更加活跃,但是大脑中的其他细胞却被相同的信号所抑制。””罗布森说。“所以即使你传播的是同样的信息,大脑中不同的细胞对信息的理解似乎也有很大的不同。”

研究人员希望在未来的研究中能够分析这些含义,以及为什么以及如何在进化过程中保持这种转换机制。5 -羟色胺能细胞存在于动物王国中,从蠕虫到鱼类再到哺乳动物,有证据表明,蠕虫可能有一个简化的大脑状态转换,而哺乳动物,包括人类,则有一个更复杂的大脑状态转换。虽然一个主要的困难是全面记录大脑深处的区域,比如更复杂的动物的中缝背,研究人员希望他们的发现可以用来识别和研究其他的内部状态开关。

“必须有人找到他们,”李说。

这项工作得到了哈佛大学罗兰研究所的资助。

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