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研究人员在发育中的皮层中使用连接组映射来发现发育接线规则

您如何建立比今天已知的神经网络更复杂的神经网络?德国法兰克福的马克斯·普朗克脑科学研究所的研究人员绘制了抑制性神经元回路的图,并报告了独特回路形成原理的发现。他们的发现使科学家能够监视神经网络结构随时间的变化,捕捉个体成长并适应其环境的时刻。

研究人员开始更好地了解在我们和动物的大脑中发现的神经元网络的复杂性。但是,首先如何建立这样精确而复杂的神经元回路呢?我们知道神经元是如何出生的,如何到达其在灰质中的位置,生长并分化。但是,数十亿个突触(如何通过神经元“交谈以教导他人”的复杂接触点)如何以及如何通过规则形成,并且通常在高度精确的位置上形成我们的大脑网络?在今天发表在《科学》杂志上的著作中,马克斯·普朗克主任莫里兹·赫尔姆斯特德特(Moritz Helmstaedter)周围的团队分析了不同发育阶段小鼠皮层的总共13个3维数据集:出生后的时间点与婴儿,儿童,少年和年轻成人相当。他们使用了称为“连接组学”的方法来绘制出大脑皮层灰质中发现的神经元电路,大脑皮层的灰质中放置了大部分的神经突触。通过专注于一种称为interneurons的神经细胞突触,已知它们以高度特定的方式抑制其他神经元的活性,它们能够追踪这些特定类型神经细胞的突触伴侣选择的发展。

“令人惊讶的是,不同类型的中间神经元遵循非常不同的时间过程来建立自己喜欢的突触伴侣。一些神经元已经能够在与婴儿大脑相对应的第一个被研究的电路阶段中以成人样的偏好来神经化其突触靶标。首先在皮层灰质中形成了化学突触,另一些则显示出靶标选择的急剧改善,这很可能是由于去除了不正确放置的突触所致。”

之前的研究发现,在大脑的某些部位,发育不仅涉及新突触的产生,而且还需要去除突触。然而,发现突触去除(或修剪)具有抑制性回路形成的精确且高度特异性的功能这一发现令人惊讶。研究人员还发现,假定仅在青春期之前就完全建立的一大类中间神经元,即所谓的枝形吊灯神经元,显示出比以前已知的更早,更系统的神经突触伴侣结构神经化。

尽管连接组的映射是“快照”技术,但这些见解仍然是可能的:可以在脑组织活检中测量神经元网络,但是随着时间的推移,无法在同一块大脑中对其进行进一步跟踪。而是需要从不同的大脑进行许多测量。Gour说:“我们仍然能够从这些数据中提取清晰的发育概况,这说明了连接体数据中存在的信息密度。”她补充说:“我没想到我们会在仍处于发育阶段的大脑中找到如此清晰的电路模式。”

神经元网络形成的发展过程及其可能的破坏被认为是某些主要精神疾病的主要贡献者,研究的一个特别重点已确定了抑制电路对这些功能障碍的贡献。因此,对抑制回路的精确和详细的了解是进行靶向分析和在此类疾病中可能产生干扰的前提。Helmstaedter说:“我们希望能够更精确地绘制皮层回路中正常和中断的网络形成图,以了解精神疾病的可能变化,并可能确定结缔组织的表型。”

研究人员在论文中报告的内容与“连接体筛选”相对应,这是由于最近实现的连接体方法的通量更高。“我们希望这种方法能够像基因筛查一样广泛地应用:在各种正常和患病情况下研究神经元网络的结构,以了解在哺乳动物大脑中发现的改变和共性。”

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