MIT研究人员解释说话和吸气不能同时进行的原因

MIT研究人员解释说话和吸气不能同时进行的原因 “当你需要吸气时，你必须停止发声。我们发现控制发声的神经元接收到来自呼吸节奏发生器的直接抑制输入，”麻省理工学院脑与认知科学教授、麻省理工学院麦戈文脑研究所成员、该研究的资深作者Fan Wang说。杜克大学研究生、麻省理工学院访问学者Jaehong Park是这项研究的主要作者，该研究发表在今天的《Science》杂志上。该论文的其他作者包括麻省理工学院的技术助理Seonmi Choi和Andrew Harrahill，前麻省理工学院的研究科学家Jun Takatoh，以及杜克大学的研究人员Shengli Zhao和Bao-Xia Han。发声控制声带位于喉部，是两条肌肉带，可以打开和关闭。当它们大部分闭合或内收时，从肺部呼出的空气通过声带时会产生声音。麻省理工学院的研究小组开始研究大脑是如何控制这种发声过程的，他们使用了一个小鼠模型。小鼠通过一种独特的口哨机制，通过几乎闭合的声带之间的一个小洞呼出空气，从而发出超声波(USVs)的声音。“我们想了解控制声带内收的神经元是什么，然后这些神经元是如何与呼吸回路相互作用的?”Wang说。为了弄清楚这一点，研究人员使用了一种技术，可以让他们绘制神经元之间的突触连接。他们知道声带内收是由喉部运动神经元控制的，所以他们开始往回追溯，寻找支配这些运动神经元的神经元。这表明，输入的一个主要来源是后脑区域的一组运动前神经元，称为后歧义核(RAm)。先前的研究表明，这个区域与发声有关，但不知道RAm的哪一部分是必需的，也不知道它是如何发声的。研究人员发现，这些突触跟踪标记的RAm神经元在USVs期间被强烈激活。这一观察结果促使研究小组使用一种活动依赖方法来瞄准这些发声特异性RAm神经元，称为RAmVOC。他们使用化学遗传学和光遗传学来探索如果他们沉默或刺激他们的活动会发生什么。当研究人员阻断RAmVOC神经元时，小鼠不再能够产生USVs或任何其他类型的发声。他们的声带没有闭合，腹部肌肉也没有收缩，就像他们通常在呼气发声时所做的那样。相反，当RAmVOC神经元被激活时，声带关闭，小鼠呼气，并产生USVs。然而，如果刺激持续两秒或更长时间，这些USVs就会被吸入打断，这表明这个过程是由大脑中调节呼吸的同一部分控制的。“呼吸是生存的需要，”Wang说。“尽管这些神经元足以引起发声，但它们是在呼吸的控制下，这可以超越我们的光遗传刺激。”节奏的一代额外的突触映射显示，脑干部分称为pre-Bötzinger复合物的神经元作为吸入的节奏发生器，为RAmVOC神经元提供直接的抑制性输入。“pre-Bötzinger复合体自动地、连续地产生吸入节律，该区域的抑制神经元投射到这些发声前运动神经元上，基本上可以关闭它们，”Wang说。这确保了呼吸仍然是语言产生的主导，我们在说话时必须停下来呼吸。研究人员认为，尽管人类的语言产生比小鼠的发声更复杂，但他们在小鼠身上发现的回路在人类的语言产生和呼吸中起着保守的作用。“尽管小鼠和人类发声的确切机制和复杂性确实不同，但基本的发声过程，即发声，需要声带闭合和呼气，在人类和小鼠中是共享的，”Park说。研究人员现在希望研究其他功能，如咳嗽和吞咽食物可能会受到控制呼吸和发声的大脑回路的影响。 ... PC版： 手机版：

海洋生物学家在海底热液喷口与锰结核区发现意想不到的生物多样性

海洋生物学家在海底热液喷口与锰结核区发现意想不到的生物多样性 科学家们通过对海洋物种的详细收集和 DNA 分析，发现了深海环境，特别是热液喷口和锰结核周围意想不到的生物多样性。这些发现表明，结核内存在孤立和独特的物种以及潜在的生殖栖息地，凸显了这些区域的生态重要性。海洋生态学家萨宾-戈尔纳（Sabine Gollner）强调，鉴于这些独特物种面临灭绝的高风险，在考虑深海采矿时必须谨慎。图为海底锰结核区。资料来源：ROV KIEL6000 GEOMARNIOZ的海洋生态学家萨宾-高尔纳（Sabine Gollner）说："这项研究再次表明，在允许对这些栖息地中的矿物进行商业性深海开采之前，我们应该非常谨慎。"隔离动物在她的博士研究中，迪亚兹-雷西奥-洛伦佐研究了她在汤加岛附近澳大利亚和太平洋板块交界处的劳盆地热液喷口收集到的桡足类。她利用大型水下机器人，采集了大量这种在这些栖息地中占主导地位的虾类小动物。这些样本是从一个盆地内的不同地点采集的。通过DNA分析，她发现不同的种群生活在彼此隔离的环境中，种群之间几乎没有互动。在更远的盆地，她采集到了看起来相同的标本，但根据其 DNA 的组成，它们甚至应该被视为不同的物种。Coral Diaz-Recio Lorenzo（中）与法国潜水器 Nautile 一起潜水，从热液喷口采集样本。船只：Porquois Pas?图片来源：Christophe Brandily在结核上生活她研究的第二部分涉及从克拉里昂-克利珀顿区采集的锰结核样本，这是太平洋四五千米深处的一个大区域。她发现，在这些结核中，通常可以发现 10 到 15 个线虫、桡足类动物和其他动物个体，有时甚至超过 200 个。其中许多动物似乎是结核特有的，因为在这些结核周围采集的沉积物样本中没有发现它们。一些动物甚至可能将结核作为繁殖的栖息地，因为 Diaz-Recio Lorenzo 在结核内发现了虫卵。NIOZ 海洋生态学家萨宾-高尔纳（Sabine Gollner）是迪亚兹-雷西奥-洛伦佐博士研究的共同发起人，她对热液喷口周围和锰结核中发现的生命的独特性和多样性感到非常惊讶。"所研究的地点都是目前正在勘探矿物的区域。但这项研究表明，对于未来可能进行的深海采矿，我们应该格外小心，因为这些独特的物种有很高的灭绝风险"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

对所罗门群岛蹄蝠的遗传分析发现了意想不到的多样性

对所罗门群岛蹄蝠的遗传分析发现了意想不到的多样性 共同作者、昆士兰大学生物多样性研究所和自然历史博物馆鸟类学高级馆长罗布-莫伊尔（Rob Moyle）说："这是一种叫做Hipposideros（蹄蝠）的蝙蝠属，在太平洋的东南亚地区有多个物种。在所罗门群岛，我们进行了大量的实地考察，每个岛上都可能有四五个不同的物种，它们的体型大小各不相同。有小型、中型、大型或者如果有三个以上的物种，就有小型、中型、大型和特大型。在一个岛上就有五种，所以还有一种特小的"。罗伯-莫伊尔（Rob Moyle）也是昆士兰大学进化生物学教授，他说，以前的研究仅根据体型特征就得出结论，不同岛屿上体型相似的蝙蝠都属于同一物种。他说："从一个岛屿到另一个岛屿，中等大小的物种与其他岛屿的物种完全相同。生物学家们总是看着这些蝙蝠说，'好吧，这很明显。多个岛屿上分布着小型、中型和大型物种。'"所罗门群岛新乔治亚群岛沃纳沃纳泻湖中的岛屿。该岛群栖息着四种蹄蝠，其中包括在跨群岛趋同进化研究中出现的两种蹄蝠。资料来源：RG Moyle不过，莫伊尔和他的合作者迪拉德掌握了更多的现代分析方法。在对他们从野外收集到的蝙蝠（以及博物馆收藏的标本）进行DNA测序时，研究小组发现大型蝙蝠和特大型蝙蝠物种实际上并没有密切的亲缘关系。莫伊尔说："这意味着，这些种群并非因为亲缘关系密切而形成了相同的体型和外貌但我们通常认为，长得一模一样的东西之所以会这样，是因为它们真的亲缘关系密切。这就带来了一些问题，比如这些岛屿有什么独特之处，使不同岛屿上的体型和外貌趋同，形成真正稳定的体型等级。"研究小组对来自不同岛屿的蝙蝠进行了精确测量，证实了所罗门群岛科学家之前的工作。莫伊尔说："所有来自不同岛屿的大型生物在测量结果中都集中在一起。这不仅仅是早期的生物学家犯了一个错误。他们看着它们说，'哦，是的，它们是一样的'。而实际上它们并不一样。我们对它们进行了测量，它们都集中在一起，尽管它们是不同的物种。我们验证了某种程度上之前的形态学工作"。来自瓜达尔卡纳尔岛实地考察点的照片，展示了同域物种 H. diadema 和 H. dinops 之间的体型差异。资料来源：Lavery et al"当我们利用蝙蝠的DNA创建家族树时，我们发现，我们认为所罗门群岛只有一种大型蝙蝠，但实际上，在不同的岛屿上，大型蝙蝠多次从小型蝙蝠进化而来，我们认为，这些大型蝙蝠可能是为了捕食小型蝙蝠不吃的猎物而进化而来的。"迪拉德说，这项工作可能与保护工作"高度相关"，因为它可以确定这个类群中具有重要进化意义的单元。"体型曾误导了分类学，事实证明，每个岛上的特大蝙蝠种群在基因上都是独一无二的，值得保护。了解这一点真的很有帮助。森林砍伐是个问题。如果我们不知道这些种群是否独特，就很难知道我们是否应该努力保护它们。"从纯粹的理论层面来看，对叶鼻蝙蝠的新认识令人着迷。他说："我们研究的是导致生物多样性的进化过程。这表明大自然更加复杂。我们人类喜欢寻找模式，而研究人员则喜欢寻找适用于各种生物的规则。当我们发现这些规则的例外情况时，那就太酷了。我们可以在许多不同的岛屿上的许多不同类群中看到重复的模式一个大型物种和一个小型物种，或者两个密切相关的物种，它们在划分各自的生态位方面存在某种差异。我们发现有许多不同的进化情景都能产生相同的模式。"编译来源：ScitechDaily ... 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：

研究发现火星会对地球气候产生意想不到的影响 每个周期大约240万年

研究发现火星会对地球气候产生意想不到的影响 每个周期大约240万年 火星与地球同属于内太阳系，但火星与地球的距离非常远并且火星的质量也比较小，一般认为火星对地球的引力只有太阳对地球引力的百万分之一。然而就是这极其微小的引力，竟然也产生了蝴蝶效应，澳大利亚悉尼大学地球物理学家迪特马尔・穆勒 (Dietmar Müller、论文合著者) 称，火星对地球气候的影响类似于蝴蝶效应，尽管这颗红色星球距离太远，无法对我们的世界产生巨大的引力影响，但是有太多的音速甚至可以放大细微的变化。6500 万年的深海沉积记录证据：通过深入研究超过 6500 万年的深海沉积记录，研究人员分析了地球洋流行为的历史，研究人员对近 300 个岩心进行了采样，记录了随时间的变化情况。沉积中的中断表明存在剧烈的深海洋流 (一般情况下在深海中海水是趋于平静的)，而连续的沉积则代表了较为平静的环境。研究团队发现，这些洋流的强度在 240 万年的周期里 (天文周期) 中不断增强和减弱，将这种波动于天文事件进行比较，研究人员发现了一种意想不到的联系：每个周期都与地球和火星之间引力相互作用的记录一致。火星对地球轨道的影响：论文主要作者、悉尼大学沉积学家 Adriana Dutkiewicz 表示，我们很惊讶地在深海沉积数据中发现了这些与 240 万年的循环，只有一种方式可以解释它们，它们与火星和地球绕太阳运行的相互作用周期有关。迪特马尔・穆勒解释了这种微弱的轨道共振：地球和火星在自己轨道中绕着太阳公转，而地球和火星同在内太阳系中 (从宇宙尺度上说距离还是比较近的)，它们的引力场在共振过程中相互作用，这种共振改变了地球公转的偏心率，从而改变地球与太阳之间的距离，在太阳辐射较多的时期，地球气候变暖，随着气候变暖，强劲的洋流数量也随之增加。研究人员将这些洋流或者说涡流描述为巨大的漩涡，它们经常延伸到深海海底并侵蚀，导致大量沉积物在雪堆般的岩壁上积累。需要说明的是，这些自然的、引力场引起的气候周期与当前快速的全球变暖无关，当前的全球变暖主要是温室气体排放的产物，不过长期研究涡流对气候变暖的反应可以为科学家提供关于气候变化如何影响海洋环流的重要见解。随着气候变化，科学家们认为一个被称为大西洋经向翻转环流 (AMOC) 的重要洋流系统可能很快就会崩溃，这个洋流系统向北输送温暖的海水，向南输送冷水。AMOC 可能会在本世纪末崩溃，但也有研究称 AMOC 可能会在 2025 年就崩溃，这是气候变暖带来的潜在重大影响之一。当然也有质疑声音：澳大利亚新南威尔士大学的研究海洋环流的马修英格兰并未参与这项研究，他对这种说法持怀疑态度，因为火星对地球的引力非常微弱，无法确定火星应该对这种循环负责，另外木星对地球也有更强的引力场 (木星距离地球更远、但质量更大因此引力更强)。英国国家海洋学中心的海洋系统建模副主任乔尔希尔斯基对此也有些质疑，他认为研究团队的结果是推测性的没有实际证据，而且尽管过去几十年的涡流活动不断增强，但卫星观测显示，这些洋流并不总是能抵达海底并产生一些作用。Adriana Dutkiewicz 补充说明跨越 6500 万年的深海数据表明，温暖的海洋有更活跃的深层环流，即使 AMOC 减慢或者完全停止，240 万年的周期性环流也会阻止海洋变得平静 (即减少循环，循环对海洋生态系统、地球气候来说至关重要)。论文地址： ... PC版： 手机版：