AI 系统绘出 “多彩” 大脑布线图 可解开和重建大脑密集神经元网络

AI 系统绘出 “多彩” 大脑布线图 可解开和重建大脑密集神经元网络 日本九州大学研究人员在新一期《自然・通讯》上发表文章称，他们开发了一种新的人工智能（AI）工具 QDyeFinder，其可从小鼠大脑的图像中自动识别和重建单个神经元。该过程涉及使用超多色标记协议去标记神经元，然后让 AI 通过匹配相似的颜色组合自动识别神经元的结构。将 QDyeFinder 的结果与手动追踪神经元的数据进行比较时，它们的准确性几乎一致。即使与已经充分利用机器学习的现有追踪软件相比，QDyeFinder 也能以更高的准确度识别轴突。

睡得好与学得少 新研究发现睡眠状况对学习的影响

睡得好与学得少 新研究发现睡眠状况对学习的影响 想象一下，你是一名学生，现在是期末考试周，你正在准备一场重要的考试：是通宵达旦还是好好休息？许多在考试中昏昏沉沉、目光呆滞的人都知道，睡眠不足会让人格外难以保留信息。密歇根大学的两项新研究揭示了这一现象的原因，以及在睡眠和睡眠剥夺期间大脑内部发生了什么，从而帮助或损害了记忆的形成。特定的神经元可以对特定的刺激进行调谐。例如，迷宫中的老鼠一旦到达迷宫中的特定位置，其神经元就会亮起。这些神经元被称为"位置神经元"，在人体内也很活跃，可以帮助人们在环境中导航。但睡眠时会发生什么呢？麻省大学医学院麻醉学副教授卡姆兰-迪巴（Kamran Diba）博士说："如果该神经元在睡眠期间有反应，你能从中推断出什么呢？"由迪巴和前研究生库罗什-马布迪（Kourosh Maboudi）博士领导的一项研究对海马体中的神经元进行了研究，发现了一种在动物熟睡时可视化与某个位置相关的神经元模式调整的方法。在安宁状态和睡眠期间，海马体会在数小时内每隔几秒钟产生一种名为"尖波涟漪"的电活动。研究人员对这些涟漪的同步性和传播距离感到非常好奇，它们似乎在将信息从大脑的一个部分传播到另一个部分。这些跃迁被认为是神经元形成和更新记忆（包括位置记忆）的过程。在这项研究中，研究小组在老鼠完成一个新迷宫后，测量了老鼠睡眠期间的大脑活动。利用一种名为贝叶斯学习的统计推理，他们首次能够追踪哪些神经元会对迷宫中的哪些位置做出反应。"比方说，一个神经元偏好迷宫的某个角落。在睡眠过程中，我们可能会看到该神经元与其他表现出类似偏好的神经元一起激活。但有时，与其他区域相关的神经元可能会与该细胞共同激活。"迪巴说："我们随后发现，当我们把它放回迷宫时，神经元的位置偏好会发生变化，这取决于它们在睡眠时与哪些细胞一起激活。"通过这种方法，他们可以实时观察神经元的可塑性或表象漂移。该研究还进一步证实了一个由来已久的理论，即睡眠期间神经元的重新激活是睡眠对记忆非常重要的部分原因。鉴于睡眠的重要性，迪巴的团队希望研究在睡眠不足的情况下大脑会发生什么变化。第二项研究同样发表在《自然》杂志上，由迪巴和前研究生巴蓬-吉里（Bapun Giri）博士领导的研究小组比较了神经元再激活的数量即在迷宫探索过程中发射的场所神经元在休息时会自发地再次发射，并比较了睡眠时与失眠时神经元再激活的顺序（量化为重放）。他们发现，参与重新激活和重放迷宫体验的神经元的发射模式在睡眠期间比睡眠不足期间更高。与睡眠不足相对应的是，尖波波纹的出现率相似或更高，但波幅较低，波纹的功率也较低。迪巴说："然而，在几乎一半的病例中，锐波涟漪时迷宫体验的重新激活在睡眠剥夺期间被完全抑制。当睡眠不足的大鼠能够补觉时，虽然再激活功能略有回升，但却无法与正常睡眠的大鼠相比。此外，重放功能也受到了类似的损害，但当失去的睡眠得到恢复后，重放功能就不会恢复了。"由于重新激活和重放对记忆非常重要，因此研究结果证明了睡眠不足对记忆的不利影响。迪巴的团队希望继续研究睡眠过程中记忆处理的性质、为什么需要重新激活记忆以及睡眠压力对记忆的影响。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1038/s41586-024-07397-xDOI: 10.1038/s41586-024-07538-2 ... PC版： 手机版：

研究人员制造出混合大脑：让一个物种的神经元帮助另一个物种

研究人员制造出混合大脑：让一个物种的神经元帮助另一个物种 大鼠（红色）和小鼠（绿色）神经元的混合体在混合大脑中形成了环形气味处理中心什么是混合大脑？听起来像是科幻电影情节中的东西或者是史蒂夫-马丁主演的80年代古怪喜剧但它实际上是两个物种细胞的结合，发育成一个完整的功能性大脑。因此，杂交脑通过创建"合成"神经回路来恢复受损或退化大脑的功能，对于推动再生神经科学的发展非常重要。在哥伦比亚大学欧文医学中心研究人员领导的一项新研究中，大鼠干细胞在发育初期就被引入到小鼠细胞中，从而产生了利用整合的大鼠细胞嗅觉的小鼠大脑。哥伦比亚大学瓦格罗斯内外科医学院遗传学和发育学教授、该研究的共同通讯作者克里斯汀-鲍德温（Kristin Baldwin）说："我们拥有漂亮的培养皿细胞模型和称为器官组织的三维培养物，它们都有各自的优点。但它们都无法让你确定细胞是否真正发挥了最高水平的功能。这项研究开始向我们展示，我们如何扩大大脑的灵活性，使其能够容纳来自人机界面或移植干细胞的其他类型的输入。"大鼠-小鼠嵌合体的制作示意图 Throesch 等人研究人员将大鼠胚胎干细胞植入小鼠胚泡（受精卵分裂而成的细胞团），然后将胚泡移植到代孕小鼠妈妈的子宫内发育。尽管在进化过程中存在差异（大鼠大脑发育较慢，体积较大），但研究人员观察到，大鼠细胞与小鼠神经元同步生长。在成熟的大鼠-小鼠或嵌合体中，大鼠细胞整合成整个小鼠大脑的神经回路，并与小鼠神经元形成活跃的连接。鲍德温说："几乎在整个小鼠大脑中都能看到大鼠细胞，这让我们相当惊讶。它告诉我们，插入的障碍很少，这表明许多种小鼠神经元都可以被类似的大鼠神经元取代。"接下来是测试大鼠细胞的功能能力，以及它们是否能取代受损的小鼠神经元。研究人员开发了小鼠模型，这些小鼠的嗅觉神经元（OSNs）在基因上有缺陷或被消融，即被破坏，而嗅觉神经元是检测和传递气味信息的神经元。他们发现，大鼠细胞拯救了小鼠大脑。鲍德温说："我们在每个小鼠笼子里都藏了一块饼干，结果非常惊讶地发现，它们能通过大鼠神经元找到饼干。"然而，与OSN被破坏的小鼠相比，OSN被基因沉默（即神经元存在，只是不工作）的小鼠找到饼干的成功率较低。这表明，增加替代神经元并非"即插即用"。如果想获得功能性替代神经元，可能需要清空闲置在那里的功能障碍神经元，这可能是某些神经退行性疾病的情况，也可能是自闭症和精神分裂症等神经发育障碍的情况。研究人员在研究中遇到的一个问题是，大鼠细胞随机分布在不同的小鼠体内，这阻碍了他们将研究扩展到其他神经系统。目前，他们正试图找到驱动插入细胞发育成特定细胞类型的方法，这可能会提供更高的精确度。扫清这一障碍将为创造具有灵长类神经元的混合大脑铺平道路，这将帮助我们更接近了解人类疾病。这项研究发表在《细胞》杂志上。 ... PC版： 手机版：

新发现可减轻GLP-1药物Ozempic和Wegovy的副作用

新发现可减轻GLP-1药物Ozempic和Wegovy的副作用 这项发表在《自然》杂志上的研究描述了两种不同的神经回路，它们支配着同一种药物的不同效果。所研究的药物是目前最有效的减肥药物之一被称为长效胰高血糖素样肽-1受体（GLP1R）激动剂它们通过体内表达的受体启动神经化学反应。其中一种最有效、最受欢迎的基于 GLP1 的药物名为司美格鲁肽，以 Ozempic 和 Wegovy 的名义销售在临床试验中取得了令人印象深刻的减肥效果。根据世界卫生组织的数据，到 2022 年，全球每 8 人中就有 1 人患有肥胖症，因此开发此类药物至关重要。激活孤束核（品红色）中表达 GLP1 受体的神经元可增加饱腹感，但不会引起恶心或厌恶。资料来源：Alisha Acosta，莫奈尔化学感官中心"药物治疗肥胖症的障碍之一是恶心和呕吐等副作用，"资深作者、莫奈尔助理成员 Amber L. Alhadeff 博士说。"我们并不清楚这些令人不快的副作用是否与减肥效果有关或为减肥效果所必需"。为了找出答案，莫奈尔研究小组研究了将进餐后的饱腹感与因恶心而回避食物的感觉联系起来的大脑回路。研究人员发现，后脑的神经元介导了这些肥胖药物的两种效应，而且还意外地发现，介导饱腹感和恶心感的单个神经元是不同的。对活体小鼠后脑GLP1R神经元的双光子成像显示，大多数神经元对营养性或厌恶性刺激做出反应，但不会对两种刺激都做出反应。更重要的是，研究发现，后脑一个名为后脑区的区域中的GLP1R神经元对厌恶性刺激反应更大，而另一个名为孤束核的区域中的GLP1R神经元则倾向于营养性刺激。接下来，研究小组分别操纵了两组GLP1R神经元，以了解它们对行为的影响。他们发现，激活孤束核中的神经元会引发饱腹感，但不会出现厌恶行为；而激活后叶区的神经元则会引发强烈的厌恶反应。重要的是，即使抑制了厌恶途径，肥胖药物也会减少食物摄入量。这些令人惊讶的发现突出表明，孤束核中的神经元群是未来肥胖症药物的一个靶点，可在不使人感到恶心的情况下减少食物摄入量。Alhadeff说："开发选择性激活这一群体的实验性肥胖症药物，可能会在避免厌恶性副作用的同时促进体重减轻。 "作者说，事实上，理论上讲，在神经回路层面分离治疗效果和副作用的概念，可以应用于任何有副作用的药物。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

神经生物学家发现了压力如何转化为恐惧 以及阻止它的方法

神经生物学家发现了压力如何转化为恐惧 以及阻止它的方法 发表在《科学》（Science）杂志上的最新研究确定了导致广泛恐惧体验的大脑生物化学和神经回路。图中，神经元显示为青色，逆行追踪器显示为黄色和品红色。资料来源：加州大学圣地亚哥分校斯皮策实验室但是，如果在没有实际威胁的情况下产生恐惧，就会对我们的健康造成危害。那些遭受过严重或危及生命的压力的人，即使在没有实际威胁的情况下，也会产生强烈的恐惧感。这种恐惧的泛化会对心理造成伤害，并可能导致长期的精神疾病，如创伤后应激障碍（PTSD）。在没有威胁的情况下，我们的大脑会产生恐惧感，这种由压力引起的机制一直是个谜。现在，加利福尼亚大学圣迭戈分校的神经生物学家确定了导致这种普遍恐惧体验的大脑生化变化，并绘制了神经回路图。他们的研究发表在《科学》杂志上，为如何预防恐惧反应提供了新的见解。背侧剑突是位于脑干的一个区域，图像中绿色显示的是血清素能神经元，红色显示的是病毒表达的 TdTomato 蛋白，黄色显示的是共聚焦细胞。加州大学圣地亚哥分校斯皮策实验室。图片来源：加州大学圣地亚哥分校斯皮策实验室恐惧研究的突破在报告中，前加州大学圣地亚哥分校助理项目科学家李慧泉（现为 Neurocrine Biosciences 公司高级科学家）、生物科学学院阿特金森家族特聘教授尼克-斯皮策（Nick Spitzer）和他们的同事描述了他们发现神经递质使大脑神经元能够相互沟通的化学信使是压力诱发广泛恐惧的根源的研究过程。研究人员通过对小鼠大脑中一个被称为背侧剑突的区域（位于脑干）进行研究，发现急性压力会诱发神经元中化学信号的转换，从兴奋性的"谷氨酸"神经递质转换为抑制性的"GABA"神经递质，从而导致普遍的恐惧反应。针对普遍恐惧的见解和干预措施加州大学圣地亚哥分校神经生物学系和卡夫利脑与心智研究所成员斯皮策说："我们的研究结果为了解恐惧泛化的相关机制提供了重要见解。从这一分子细节层面了解这些过程的好处是知道发生了什么以及发生在哪里可以针对驱动相关疾病的机制进行干预"。使用共聚焦显微镜拍摄的大脑背侧急流区图像。资料来源：加州大学圣地亚哥分校斯皮策实验室压力诱导神经递质的转换被认为是大脑可塑性的一种形式，在这一新发现的基础上，研究人员随后对患有创伤后应激障碍的人的死后大脑进行了检查。在他们的大脑中也证实了类似的谷氨酸-GABA 神经递质转换。研究人员接下来找到了一种阻止产生广泛恐惧的方法。在小鼠经历急性应激之前，他们给小鼠的背侧剑突注射了一种腺相关病毒（AAV），以抑制负责合成 GABA 的基因。这种方法阻止了小鼠获得广泛性恐惧。此外，当小鼠在应激事件发生后立即服用抗抑郁药氟西汀（百忧解）时，递质转换和随后出现的广泛性恐惧就会被阻止。研究人员不仅确定了切换发射器的神经元位置，还展示了这些神经元与中央杏仁核和外侧下丘脑的连接，而这些脑区以前与其他恐惧反应的产生有关。斯皮策说，"既然我们已经掌握了压力诱发恐惧的核心机制以及实施这种恐惧的电路，那么干预措施就可以有针对性和特异性。"编译自:ScitechDaily ... 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：