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：

科学家发现所有哺乳动物脑细胞共有的学习基因的新功能

科学家发现所有哺乳动物脑细胞共有的学习基因的新功能 对小鼠的研究可以为治疗SYNGAP1基因突变儿童的大脑发育障碍提供指导。约翰斯-霍普金斯大学医学院的神经科学家发现了SYNGAP1基因以前未知的功能，该基因的DNA序列控制着包括小鼠和人类在内的哺乳动物的记忆和学习。这一发现最近发表在《科学》（Science）杂志上，它可能会影响针对SYNGAP1突变儿童的疗法的开发，这些儿童患有一系列以智力障碍、类似自闭症的行为和癫痫为特征的神经发育障碍。一般来说，SYNGAP1 和其他基因通过制造调节突触强度（脑细胞之间的连接）的蛋白质来控制学习和记忆。研究人员说，以前人们认为SYNGAP1基因只通过编码一种蛋白来发挥作用，这种蛋白的作用类似于酶，能调节导致突触强度变化的化学反应。现在，科学家们说，他们在小鼠身上进行的实验表明，该基因编码的蛋白质的功能可能更像一种所谓的支架蛋白，它能调节突触的可塑性，或突触随着时间的推移变得更强或更弱，而与酶的活性无关。他们说，SynGAP 蛋白似乎扮演着交通管理者的角色，指挥着大脑蛋白质在突触的位置和内容。探索与实验约翰霍普金斯大学医学院神经科学和心理与脑科学布隆伯格特聘教授、所罗门-H-斯奈德神经科学系主任理查德-胡加尼尔博士和他的团队于 1998 年首次分离出SYNGAP1基因。胡加尼尔说，SynGAP 蛋白在突触中的含量非常丰富，长期以来，人们一直认为 SynGAP 的主要作用是引发调节突触强度的酶化学反应。但是，在研究 SynGAP 蛋白的过程中，休加尼尔等人开始发现，当 SynGAP 蛋白与主要的突触支架蛋白 PSD-95 发生作用时，它们具有一种奇怪的特性。它们会变成液滴，对于酶蛋白来说，这种结构转变是不寻常的。显示 SynGAP（绿色）与突触处 PSD-95 结合的神经元。图片来源：约翰霍普金斯大学医学院 Yoichi Araki 和 Rick Huganir为了弄清并理解SynGAP奇特的液体转变的目的，胡加尼尔、神经科学导师荒木洋一和胡加尼尔在约翰霍普金斯大学的研究团队设计了神经元实验，他们在SYNGAP1基因的所谓GAP结构域中插入突变，从而在不影响其结构的情况下消除SynGAP的酶功能。约翰-霍普金斯大学的研究小组发现，即使没有酶的活性，突触也能正常工作，这表明结构特性本身对 SynGAP 的功能非常重要。研究小组接下来在小鼠身上进行了相同类型的基因工程，以去除 SynGAP 的酶功能，结果发现类似：突触表现正常，突触可塑性没有问题，小鼠的学习和记忆行为也没有困难。研究小组称，这表明 SynGAP 的结构特性足以保证正常的认知行为。为了了解SynGAP的结构是如何调节突触的，科学家们对突触进行了更仔细的分析，发现SynGAP蛋白与AMPA受体/TARP复合物（加强突触的神经递质蛋白束）和PSD-95支架蛋白的结合存在竞争。实验表明，在静止状态下，SynGAP 与 PSD-95 紧密结合，不允许它与突触中的任何其他蛋白质结合。然而，在突触可塑性、学习和记忆过程中，SynGAP 蛋白会断开与 PSD-95 的连接，离开突触，并允许神经递质受体复合物与 PSD-95 结合。这使得突触变得更强，增加了脑细胞之间的传递。Huganir说："这一系列过程并没有SynGAP典型的催化活性。相反，SynGAP 在与 PSD-95 结合时会将其束缚住，但当 SynGAP 离开这个突触时，PSD-95 就会开放，与 AMPA 受体/TARP 复合物结合。"在 SynGAP 基因突变的儿童中，突触中的 SynGAP 蛋白数量减少了一半左右。由于 SynGAP 蛋白的数量减少，PSD-95 可能会更多地与 AMPA 受体/TARP 复合物结合，从而改变神经元的连接，导致脑细胞活动增加，这就是 SynGAP 突变儿童常见的癫痫发作的特征。Huganir说，SynGAP的两种功能酶和支架蛋白的"交通管理"作用现在可能对寻找SynGAP相关神经发育障碍的治疗方法非常重要。他们的研究还表明，仅针对SynGAP的一种功能可能不足以产生重大影响。编译自: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：

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：

科学家通过简单的声光治疗清除化疗脑雾

科学家通过简单的声光治疗清除化疗脑雾 化疗是我们治疗许多癌症的最佳方法之一，但不幸的是，化疗的影响遍及全身，包括大脑。患者经常会出现"脑雾"，即记忆力、注意力和决策能力出现问题，影响他们的思维和行为。虽然化疗结束后这种症状通常会消失，但在几个月内，它可能会对日常生活造成令人沮丧的干扰。但是，麻省理工学院（MIT）研究人员的一项新研究可能发现了一种相当简单的治疗方法，可以消除这些不良影响，最重要的是，它比化疗本身的创伤性更小。你所要做的就是每天看一些闪烁的灯光，听一些声音。研究小组之前的研究发现，以 40 赫兹的频率闪烁的灯光和相同音调的声音可以刺激大脑产生更多的伽马振荡。这些脑电波的频率在 25 赫兹到 80 赫兹之间，会在高度警觉时产生，有助于集中注意力。由于阿尔茨海默氏症患者似乎在这些伽马波方面存在问题，麻省理工学院的研究小组想知道这是否能成为一种简单的治疗方法来改善他们的症状。果然，在小鼠身上进行的实验表明，光和声音治疗后，炎症减轻了，被认为会导致神经退化的有毒蛋白质水平降低了，认知测试也有所改善。在新的研究中，麻省理工学院的研究人员将注意力转向了另一种疾病化疗脑。研究小组在患有化疗脑病的小鼠身上测试了这种疗法，让它们连续五天服用普通化疗药物顺铂，然后停药五天，再服药五天，模仿人类的剂量制度。一些小鼠接受了"伽马疗法"，每天暴露在40赫兹的光和声中一小时，而对照组则只接受化疗。三周后，对照组小鼠出现了许多已知的化疗对大脑的影响，包括脑容量变小、DNA损伤、炎症以及神经元周围的保护膜髓鞘受损。产生髓鞘的脑细胞（称为少突胶质细胞）数量也减少了。然而，在化疗期间每天接受伽马射线治疗的小鼠，所有这些症状都明显减轻。它们在测量动物记忆力和执行功能的测试中也表现得更好。研究人员在分析基因表达时发现，接受伽马疗法的小鼠体内与炎症和细胞死亡有关的基因受到了抑制。"这种治疗方法可以减少DNA损伤，减轻炎症，增加少突胶质细胞的数量，而少突胶质细胞是产生轴突周围髓鞘的细胞，"该研究的资深作者Li-Huei Tsai说。"我们还发现，这种治疗方法改善了动物的学习和记忆，增强了动物的执行功能。"研究发现，伽马疗法的益处至少部分持续到治疗后的四个月。研究发现，伽马疗法如果与化疗同时进行，效果会更好，而不是在化疗后才开始。后续研究发现，接受另一种化疗药物甲氨蝶呤治疗的小鼠也有类似的积极效果。虽然小鼠试验是通过脑部植入物直接向神经元传递光和声，但之前针对阿尔茨海默氏症的人体试验表明，只需使用同步屏幕和扬声器设置，就能取得类似的疗效。如果成功，这将成为对人类患者进行化疗的标准配置，从而减少救命治疗带来的不适。研究小组还计划对帕金森病和多发性硬化症等其他神经系统疾病进行伽马疗法试验。针对人类阿尔茨海默病患者的临床试验已经开始。这项研究发表在《科学转化医学》杂志上。 ... PC版： 手机版：