科学家开发出标记技术"NeuM" 可实时监测神经元的变化

科学家开发出标记技术"NeuM" 可实时监测神经元的变化 韩国科学技术院（KIST）脑科学研究所的 Kim Yun Kyung 博士领导的研究团队与浦项科技大学 Chang Young-Tae 教授的团队合作，宣布开发出名为 NeuM 的新一代神经元标记技术。NeuM（神经元膜选择性）可选择性地标记神经元膜，使神经元结构可视化，并可实时监测神经元的变化。韩国科学技术院金润京博士团队的研究人员正在利用下一代神经元标记技术"NeuM"，对神经元进行实时可视化，并检查高分辨率图像。资料来源：韩国科学技术院神经元不断改变其结构和功能，将信息从感觉器官传递到大脑，从而调节思维、记忆和行为。因此，要克服神经退行性疾病，就必须开发能选择性标记活体神经元以进行实时监测的技术。然而，目前常用于观察神经元的基于基因和抗体的标记技术，由于依赖于特定的基因表达或蛋白质，存在准确性低和难以长期追踪的问题。NeuM 是研究小组通过对神经元细胞进行分子设计而开发的，与神经元膜具有极佳的结合亲和力，可对神经元进行长期跟踪和高分辨率成像。NeuM 中的荧光探针利用活细胞的活性与神经元膜结合，在特定波长光的激发下发出荧光信号。这种神经元膜可视化技术允许对神经元终端结构进行详细观察，并对神经元分化和相互作用进行高分辨率监测。选择性标记神经元膜的分子设计。资料来源：韩国科学技术院NeuM 是第一种通过活体神经元的内吞作用对细胞膜进行染色的技术，它对活体细胞具有选择性反应，排除了未内吞的死细胞。此外，研究团队还成功地将神经元的观察时间从短短 6 小时延长至 72 小时，从而能够捕捉活体神经元在较长时间内随环境变化而发生的动态变化。NeuM有望为目前尚无特效疗法的神经退行性疾病的研究和治疗开发提供洞察力。包括阿尔茨海默氏症在内的这些疾病是由于淀粉样蛋白等有毒蛋白质的产生和炎症物质的涌入造成神经元损伤的结果。NeuM 对神经元变化的精确观察可有效促进对候选治疗化合物的评估。金博士表示："此次开发的NeuM可以区分衰老和退化的神经元，成为阐明大脑退化性疾病机制和开发治疗方法的重要工具。"他进一步补充说："未来，我们计划改进 NeuM，通过设计荧光波长来区分绿色和红色等颜色，从而更精确地分析神经元。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

AI"超人眼"让科学家更进一步了解我们生存环境中最复杂、最神秘的层面

AI"超人眼"让科学家更进一步了解我们生存环境中最复杂、最神秘的层面 大脑是有史以来最复杂的器官。它的功能由数百亿个密集的神经元组成的网络支持，数万亿个神经元连接在一起交换信息和进行计算。试图理解大脑的复杂性可能会令人眼花缭乱。然而，如果我们希望了解大脑是如何工作的，我们就必须能够绘制神经元图谱并研究它们是如何连线的。现在，九州大学的研究人员在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表文章，他们开发了一种新的人工智能工具，称为 QDyeFinder，可以从小鼠大脑图像中自动识别和重建单个神经元。这个过程包括用超级多色标记协议标记神经元，然后让人工智能通过匹配类似的颜色组合自动识别神经元的结构。图片来源：九州大学/今井武志"神经科学面临的最大挑战之一是绘制大脑及其连接图。然而，由于神经元非常密集，要将神经元及其轴突和树突从其他神经元发送和接收信息的延伸部分相互区分开来非常困难，也非常耗时，"领导这项研究的医学科学研究生院教授今井武志解释说。"轴突和树突只有大约一微米厚，比人类的标准头发丝还要细100倍，它们之间的空间也更小。"识别神经元的一种策略是用特定颜色的荧光蛋白标记细胞。然后，研究人员可以追踪这种颜色，重建神经元及其轴突。通过扩大颜色范围，可以同时追踪更多的神经元。2018 年，今井和他的团队开发出了 Tetbow 系统，该系统可以用光的三原色给神经元涂上鲜艳的颜色。用七色 Tetbow 标记小鼠皮层 2/3 锥体神经元。用 7 种荧光蛋白（mTagBFP2、mTurquoise2、mAmetrine1.1、mNeonGreen、Ypet、mRuby3 和 tdKatushka2）的组合来观察神经元的密集布线。然后通过 QDyeFinder 程序对 7 通道图像进行分析，以揭示单个神经元的布线模式。资料来源：九州大学/今井武"我喜欢使用的一个例子是东京地铁线路图。该系统有 13 条线路、286 个车站，横跨 300 多公里。在地铁地图上，每条线路都用颜色编码，因此你可以很容易地识别哪些车站是相连的，"论文的第一作者之一、当时的助理教授 Marcus N. Leiwe 解释说。"Tetbow让追踪神经元和找到它们之间的连接变得更加容易"。然而，两个主要问题依然存在。神经元仍然需要手工细致地描记，而且仅使用三种颜色不足以辨别更大的神经元群。研究小组努力将颜色的数量从三种增加到七种，但当时更大的问题是人类对颜色感知的极限。仔细观察电视屏幕，你会发现像素是由三种颜色组成的：蓝、绿、红。我们能感知到的任何颜色都是这三种颜色的组合，因为我们的眼睛里有蓝色、绿色和红色传感器。"而机器则没有这样的限制。因此，我们致力于开发一种能够自动分辨这些不同颜色组合的工具，"Leiwe 说。"我们还使这一工具能够自动将相同颜色的神经元和轴突拼接在一起，并重建它们的结构。我们将这一系统命名为 QDyeFinder。"QDyeFinder 的工作原理是首先自动识别给定样本中的轴突和树突片段。然后识别每个片段的颜色信息。然后，利用团队开发的名为 dCrawler 的机器学习算法，将颜色信息分组，从而识别出同一神经元的轴突和树突。Leiwe 解释说："当我们将 QDyeFinder 的结果与人工追踪神经元的数据进行比较时，它们的准确率基本相同。即使与充分利用机器学习的现有描记软件相比，QDyeFinder 也能以更高的准确率识别轴突"。"研究小组希望他们的新工具能推动目前绘制大脑连接图的工作。他们还想了解新方法能否应用于其他复杂细胞类型（如癌细胞和免疫细胞）的标记和追踪。"也许有一天，我们能读懂大脑中的连接，并理解它们对这个人意味着什么或代表什么。我怀疑这是否会在我有生之年发生，但我们的工作代表着在理解我们存在的也许是最复杂和最神秘的层面方面向前迈出了实实在在的一步，"今井总结道。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现脊髓神经机制带来的惊人记忆能力

科学家发现脊髓神经机制带来的惊人记忆能力 日本理化学研究所脑科学中心的竹冈绫（Aya Takeoka）及其团队确定了脊髓中独立于大脑促进运动学习的神经通路。他们的研究结果发表在4月11日的《科学》（Science）杂志上，研究人员发现了两组关键的脊髓神经元，一组是新的适应性学习所必需的，另一组则是学习后回忆适应性的神经元。这些发现可以帮助科学家开发出帮助脊髓损伤后运动恢复的方法。科学家们早就知道，即使没有大脑，脊髓的运动输出也可以通过练习进行调整。这一点在无头昆虫身上得到了最显著的体现，它们的腿仍然可以通过训练来避开外界的提示。到目前为止，还没有人搞清楚这是如何做到的，如果不了解这一点，这种现象就只能是一个怪异的事实。正如武冈解释的那样："如果我们想了解健康人运动自动性的基础，并利用这些知识改善脊髓损伤后的恢复，那么深入了解其潜在机制是至关重要的。在这项研究中，将肢体位置与不愉快经历联系起来的脊髓仅在 10 分钟后就学会了调整肢体位置，并在第二天保留了记忆。而随机接受不愉快经历的脊髓则不会学习。资料来源：理化学研究所在深入研究神经回路之前，研究人员首先开发了一种实验装置，使他们能够在没有大脑输入的情况下研究小鼠脊髓的适应性，包括学习和回忆。每次试验都有一只实验鼠和一只后腿自由悬垂的对照鼠。如果实验鼠的后腿下垂过多，它就会受到电刺激，模仿小鼠想要避免的动作。对照组小鼠在同一时间接受同样的刺激，但与自己的后腿位置无关。即时学习和记忆保持观察仅仅过了 10 分钟，他们就观察到只有实验小鼠进行了运动学习；它们的腿仍然高高抬起，避免了任何电刺激。这一结果表明，脊髓可以将不愉快的感觉与腿部位置联系起来，并调整其运动输出，使腿部避免不愉快的感觉，而这一切都不需要大脑。24 小时后，他们重复了 10 分钟的测试，但将实验小鼠和对照组小鼠颠倒过来。原来的实验小鼠仍然保持着抬腿的姿势，这表明脊髓保留了对过去经历的记忆，从而干扰了新的学习。在脊髓中建立了即时学习和记忆之后，研究小组开始研究使这两种学习和记忆成为可能的神经回路。他们使用了六种类型的转基因小鼠，每种小鼠都有一组不同的脊髓神经元被禁用，并对它们进行了运动学习和学习逆转的测试。他们发现，脊髓顶端的神经元失效后，小鼠后肢无法适应以避免电击，尤其是那些表达Ptf1a基因的神经元。当他们在学习逆转过程中对小鼠进行检查时，发现沉默表达 Ptf1a 的神经元没有任何效果。相反，脊髓底部腹侧的一组表达En1基因的神经元却起了关键作用。当这些神经元在学习回避的第二天被沉默时，脊髓就像从未学习过任何东西一样。研究人员还在第二天通过重复最初的学习条件来评估记忆回忆。他们发现，在野生型小鼠中，后肢比第一天更快稳定地到达回避位置，这表明它们已经记住了。在回忆过程中激发En1神经元可将这一速度提高80%，表明运动回忆能力增强。竹冈说："这些结果不仅挑战了运动学习和记忆仅局限于大脑回路的普遍观点，而且我们还证明了我们可以操纵脊髓运动记忆，这对旨在改善脊髓损伤后恢复的疗法具有重要意义。" ... PC版： 手机版：

神经科学家揭示大脑如何决定记忆内容

神经科学家揭示大脑如何决定记忆内容 最近的研究发现，海马体中的"锐波涟漪"是一种大脑机制，它决定了哪些日常经历会成为永久记忆，闲暇时的显著涟漪会导致睡眠中的记忆巩固。神经科学家在过去几十年中发现，大脑会在当晚的睡眠中将一些日常经历转化为持久记忆。最近的一项研究介绍了一种机制，它能决定哪些记忆足够重要，可以保存在大脑中，直到睡眠将其永久固化。在纽约大学格罗斯曼医学院研究人员的领导下，这项研究围绕着被称为神经元的脑细胞展开，这些神经元通过"发射"或使其正负电荷的平衡发生波动来传输编码记忆的电信号。在一个名为海马体的大脑区域中，大群神经元有节奏地循环发射信号，在几毫秒内产生信号序列，这些信号可以编码复杂的信息。这些向大脑其他部分发出的"呼喊"被称为"尖波涟漪"，代表了 15% 的海马神经元近乎同时发射的信号，因其活动被电极捕捉并记录在图表上时所呈现的形状而得名。过去的研究将波纹与睡眠中记忆的形成联系在一起，而最近发表在《科学》杂志上的这项新研究发现，紧接着5到20个尖锐波纹的白天事件在睡眠中会被更多地重放，从而巩固为永久记忆。而很少或没有尖锐波纹的事件则无法形成持久记忆。该研究的资深作者、纽约大学朗贡卫生院神经科学与生理学系比格斯神经科学教授、医学博士 György Buzsáki 说："我们的研究发现，尖锐波纹是大脑用来'决定'保留和丢弃什么的生理机制。"这项新研究基于一个已知的模式：包括人类在内的哺乳动物会体验世界片刻，然后暂停，再体验一会儿，然后再暂停。研究报告的作者说，在我们关注某件事情之后，大脑计算往往会切换到一种"闲置"的重新评估模式。这种瞬间停顿在一天中都会发生，但最长的空闲期发生在睡眠中。Buzsaki 及其同事之前已经证实，当我们积极探索感官信息或移动时，不会出现锐波纹波，只有在之前或之后的空闲停顿期间才会出现锐波纹波。目前的研究发现，尖锐的波状三角形代表了觉醒后这种停顿期间的自然标记机制，标记的神经元模式会在任务后的睡眠中重新激活。重要的是，我们知道尖锐的波状纹是由海马"位置细胞"按照特定顺序发射的，我们进入的每一个房间和老鼠进入的每一个迷宫臂都是由这种细胞编码的。对于被记住的记忆，同样的细胞会在我们睡觉时高速发射，"每晚回放记录的事件数千次"。这个过程加强了相关细胞之间的联系。在本次研究中，研究小组通过电极跟踪了小鼠连续运行迷宫的过程，这些海马细胞群尽管记录的经历非常相似，但却随着时间的推移而不断变化。这首次揭示了在迷宫运行过程中，涟漪在清醒时暂停，然后在睡眠时重放。当小鼠在每次跑完迷宫后停下来享用含糖食物时，通常会记录到尖锐的波状瘫痪。作者说，小鼠食用奖励后，大脑就会从探索模式切换到闲置模式，从而出现锐波瘫痪。通过使用双面硅探针，研究小组能够在迷宫运行期间同时记录动物海马中的多达 500 个神经元。这反过来又带来了挑战，因为独立记录的神经元越多，数据就会变得异常复杂。为了获得对数据的直观理解、可视化神经元活动并形成假设，研究小组成功地减少了数据的维数，在某种程度上就像把三维图像转换成平面图像一样，而且没有失去数据的完整性。第一作者、布扎基实验室的研究生杨婉楠（Winnie）博士说："我们努力将外部世界排除在外，研究哺乳动物大脑先天和潜意识中将某些记忆标记为永久记忆的机制。为什么会进化出这样一个系统仍然是个谜，但未来的研究可能会揭示出一些设备或疗法，它们可以调整尖锐的波纹，从而改善记忆，甚至减少对创伤事件的回忆"。编译来源：ScitechDaily参考文献:《海马体锐波涟漪对记忆经验的选择》，作者：Wannan Yang、Chen Sun、Roman Huszár、Thomas Hainmueller、Kirill Kiselev 和 György Buzsáki，2024 年 3 月 28 日，《科学》。DOI: 10.1126/science.adk8261 ... PC版： 手机版：

科学家发现防止我们迷路的大脑活动模式

科学家发现防止我们迷路的大脑活动模式 这项研究确定了大脑中精细调整的头部方向信号。这些结果与在啮齿类动物身上发现的神经密码相当，对理解帕金森症和阿尔茨海默氏症等疾病具有重要意义。测量人在运动时的神经活动具有挑战性，因为现有的大多数技术都要求参与者尽可能保持静止。在这项研究中，研究人员利用移动脑电图设备和动作捕捉克服了这一难题。第一作者本杰明-J-格里菲斯博士说："掌握前进方向非常重要。在估计自己的位置和方向时，即使是很小的错误也会带来灾难性的后果。我们知道，鸟类、大鼠和蝙蝠等动物的神经回路可以让它们保持方向，但我们对人类大脑在现实世界中如何管理这一点却知之甚少，令人惊讶。"一组 52 名健康参与者参加了一系列运动跟踪实验，同时通过头皮脑电图记录了他们的大脑活动。通过这些实验，研究人员可以监测参与者在根据不同电脑显示器上的提示移动头部以确定方向时发出的大脑信号。在另一项研究中，研究人员监测了 10 名参与者的信号，这些人已经因癫痫等疾病接受了颅内电极监测。所有任务都会促使参与者移动头部，有时甚至只移动眼睛，脑电图帽和颅内脑电图（iEEG）记录了这些动作产生的大脑信号，前者用于测量来自头皮的信号，后者用于记录来自海马体和邻近区域的数据。在考虑了肌肉运动或参与者在环境中的位置等因素对脑电图记录造成的"混淆"后，研究人员能够显示出一种微调的方向信号，这种信号可以在参与者头部方向发生物理变化之前被检测到。格里菲斯博士补充说："分离这些信号使我们能够真正关注大脑如何处理导航信息，以及这些信号如何与视觉地标等其他线索一起发挥作用。我们的方法为探索这些特征开辟了新的途径，对神经退行性疾病的研究，甚至对改进机器人和人工智能中的导航技术都有意义"。在今后的工作中，研究人员计划将他们的学习成果应用于研究大脑如何在时间中导航，以找出类似的神经元活动是否对记忆起作用。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现与饱腹感有关的神经元群体

科学家发现与饱腹感有关的神经元群体 胰高血糖素样肽-1（GLP-1）在发出进食后饱腹感信号方面发挥着重要作用。进食前饱腹感是一种发生在实际摄入食物之前的现象，使动物能够调节体内状态并为变化做好准备。最近，GLP-1 受体激动剂（GLP-1RAs）通过影响食物认知、减弱下丘脑对食物线索的反应以及改变食物适口性的感知，被证明能有效治疗肥胖症。GLP-1 受体激动剂是一种人工合成药物，可模拟因摄入食物而产生的激素 GLP-1。这些研究结果表明，GLP-1RA 可在胃肠道饱食前发挥作用，控制食物摄入量。然而，人们对这些作用的中心机制了解甚少，GLP-1RAs 的作用靶点仍存在争议。在此，Kyu Sik Kim 及其同事展示了一项针对肥胖者的阶段性临床试验结果。研究小组在接受或不接受 GLP-1RA 治疗的基线、进食前和进食阶段进行了饱腹感调查。结果显示，GLP-1RA 治疗可持续提高各阶段的饱腹感指数（整体饱腹感），而对照组的饱腹感指数从基线到进食前阶段均有所下降。在进食前阶段，与基线相比，GLP-1RA 显著提高了饱腹感指数，增强了预期食物摄入、食物奖励和动机饱腹感指数。通过对人类和小鼠大脑样本的分析，Kim等人确定了背内侧下丘脑的神经回路，这些神经回路与这些激动剂相互作用，诱导抑制对食物的欲望。对这些神经元进行光遗传学操作可引起饱腹感，而钙成像技术则证明它们积极参与了对进食前饱腹感的编码。编译自/ScitechDailyDOI: 10.1126/science.adj2537 ... PC版： 手机版：