花费12年 完整的幼年果蝇大脑地图首次公布 解开人类意识的第一步

花费12年完整的幼年果蝇大脑地图首次公布解开人类意识的第一步这个新的线路图是剑桥大学和约翰霍普金斯大学的科学家们的工作成果，它是迄今为止第四个完整的连接组。此前，更简单的秀丽隐杆线虫、幼年海鞘Cionaintestinalis和海洋蠕虫Platynereisdumerilii的大脑之前已经被绘制出来，但是这些大脑最多有几百个神经元和几千个突触（连接）。幼年果蝇（Drosophiliamelanogaster）的高分辨率连接组成像显示了3016个神经元和它们之间的548000个连接。对于渴望全面绘制一种与人类共享大量基本生物学知识的昆虫的大脑的科学家来说，这已经是一个漫长的过程了。"已经过去50年了，这是第一个大脑连接组。"约翰霍普金斯大学生物医学工程师约书亚-T-沃格尔斯坦说："这是一面旗帜，我们可以做到这一点。所有过程都在为这而努力。"这项具有里程碑意义的工作花了12年时间才完成，其中涉及的复杂过程令人震惊。首先，该团队使用电子显微镜将六小时大的雌性果蝇幼虫的大脑直观地切成了盐粒大小，不仅是几个部分，而是成千上万个部分。虽然电子显微镜捕捉到了每个切片的图像，但仅成像一项，3016个神经元中的每一个仍然需要一天时间。剑桥大学和约翰霍普金斯大学的科学家们跨领域的联合研究，包括神经科学、微生物学和计算机科学，看到了高清晰度的完全实现的大脑地图。成像显示了每一个神经元和连接，并对思维处理和行为提供了迷人的见解，例如最繁忙的电路如何通往和离开大脑的学习中心。果蝇具有复杂的学习和决策行为，它们是神经科学研究中研究最多的动物之一。更重要的是，该地图揭示了让人联想到机器学习架构的电路特征，这甚至可能为新的人工智能提供参考。Vogelstein说："我们对果蝇代码的了解将对人类的代码产生影响。这就是我们想要了解的--如何编写一个导致人类大脑网络的程序。"绘制老鼠大脑的研究正在进行中，并可能在未来十年内实现。但这是一项艰巨的任务，其规模估计又要比幼年果蝇大一百万倍。目前的计算工具可以追踪数以百万计的神经通路，但不能像人脑那样拥有数万亿的神经通路。我们不太可能在很长一段时间内看到一个完整的人类连接组--这可能会映射出我们复杂意识的关键。这项研究发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348813.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348813.htm

研究表明从果蝇、小鼠到人类 大脑结构都遵循普遍规律

研究表明从果蝇、小鼠到人类大脑结构都遵循普遍规律当磁体被加热时，会达到一个临界点，在此点上磁体会失去磁性，这就是所谓的"临界点"。当物理物体发生相变时，就会达到这个高度复杂的临界点。最近，美国西北大学的研究人员发现，大脑的结构特征也处于一个类似的临界点附近--处于或接近结构相变期。这些结果在人类、小鼠和果蝇的大脑中都是一致的，这表明这一发现可能具有普遍性。虽然目前还不清楚大脑结构正在哪个阶段之间过渡，但这些发现可以为大脑复杂性的计算模型提供新的设计。他们的研究成果发表在《通信物理学》上。人类大脑皮层数据集中一小块区域内部分神经元的三维重建。图片来源：哈佛大学/Google大脑结构和计算模型资深作者、西北大学物理学和天文学助理教授伊什特万-科瓦奇（IstvánKovács）说："人类大脑是已知最复杂的系统之一，其结构细节的许多特性尚不清楚。其他一些研究人员已经从神经元动力学的角度研究了大脑临界性。但我们正在研究结构层面的临界性，以便最终理解它如何支撑大脑动态的复杂性。这一直是我们思考大脑复杂性的一个缺失。在计算机中，任何软件都可以在相同的硬件上运行，而在大脑中，动态和硬件密切相关。"人类大脑皮层数据集中一小块区域内部分神经元的三维重建。图片来源：哈佛大学/Google第一作者海伦-安塞尔（HelenAnsell）是埃默里大学的塔布顿研究员，研究期间在科瓦奇的实验室担任博士后研究员。他说："冰融化成水就是一个日常例子。这仍然是水分子，但它们正在经历从固态到液态的转变。我们当然不是说大脑已经接近融化。事实上，我们没有办法知道大脑会在哪两个阶段之间过渡。因为如果它处于临界点的任何一边，它就不是大脑了。"将统计物理学应用于神经科学尽管研究人员长期以来一直在使用功能磁共振成像（fMRI）和脑电图（EEG）研究大脑动态，但神经科学的进步直到最近才提供了大脑细胞结构的大量数据集。这些数据为科瓦奇和他的团队提供了应用统计物理技术测量神经元物理结构的可能性。使用在线neuroglancer平台查看的人类大脑皮层数据集中的部分神经元快照。图片来源：哈佛大学/Google识别大脑结构中的临界指数科瓦奇和安塞尔分析了来自人类、果蝇和小鼠的三维大脑重建的公开数据。通过以纳米级分辨率检查大脑，研究人员发现这些样本展示了与临界相关的物理特性的特征。其中一个特性就是众所周知的神经元分形结构。当一个系统接近相变时，就会出现一组被称为"临界指数"的观测指标，而这种非微观的分形维度就是其中的一个例子。脑细胞在不同尺度上呈分形统计模式排列。放大后，分形形状具有"自相似性"，即样本的较小部分与整个样本相似。观察到的各种神经元片段的大小也各不相同，这提供了另一条线索。科瓦奇认为，自相似性、长程相关性和广泛的大小分布都是临界状态的特征，在这种状态下，特征既不会太有组织，也不会太随机。这些观察结果产生了一组临界指数，用于描述这些结构特征。科瓦奇说："我们在物理学的所有临界系统中都能看到这些现象。大脑似乎在两个阶段之间保持着微妙的平衡。"来自果蝇、小鼠和人类数据集的单个神经元重建示例。资料来源：美国西北大学不同物种的普遍临界性科瓦奇和安塞尔惊奇地发现，他们研究的所有大脑样本--来自人类、小鼠和果蝇--在不同生物体间具有一致的临界指数，这意味着它们具有相同的临界定量特征。生物体之间潜在的、兼容的结构暗示着一种普遍的管理原则可能在起作用。他们的新发现可能有助于解释为什么不同生物的大脑具有一些相同的基本原理。安塞尔说："最初，这些结构看起来很不一样--整个苍蝇大脑的大小与人类的一个小神经元差不多。但随后我们发现，新出现的特性惊人地相似。""在生物体之间差异很大的许多特征中，我们依靠统计物理学的建议来检查哪些测量指标具有潜在的普遍性，例如临界指数。事实上，这些指标在不同生物体之间是一致的，"科瓦奇说。"作为临界性的一个更深层次的标志，所获得的临界指数并不是独立的--根据统计物理学的规定，我们可以从任意三个临界指数中计算出其余的临界指数。这一发现为建立简单的物理模型来捕捉大脑结构的统计模式开辟了道路。这种模型是大脑动态模型的有用输入，对人工神经网络架构也有启发意义"。今后，研究人员计划将他们的技术应用于新出现的数据集，包括更大的大脑部分和更多的生物体。他们的目标是找到这种普遍性是否仍然适用。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435389.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435389.htm

神经科学研究又有新突破：新图像捕捉到突触的未知细节

神经科学研究又有新突破：新图像捕捉到突触的未知细节透视三维模型，显示轴突（红色）、中等脊髓运动神经元（绿色）和星形胶质细胞汇聚在突触处（黄色）。资料来源：罗切斯特大学和哥本哈根大学神经医学转化中心这项新研究发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上，由罗切斯特大学和哥本哈根大学神经医学转化中心联合主任、医学博士SteveGoldman领导的团队撰写。这些发现代表了一项重大的技术成就，使研究人员能够以以前无法达到的详细程度研究汇聚在单个突触的不同细胞。"从文献中了解突触的结构是一回事，但亲眼看到单个细胞之间相互作用的精确几何形状又是另一回事，"转化神经医学中心研究副教授、本研究的共同作者阿卜杜拉蒂夫-本拉伊斯博士说。"测量这些极小环境的能力是一个年轻的领域，有可能促进我们对突触功能受到干扰的一些神经退行性疾病和神经精神疾病的了解"。研究人员利用这项新技术将健康小鼠的大脑与携带导致亨廷顿症的突变基因的小鼠的大脑进行了比较。戈德曼实验室之前的研究表明，功能失调的星形胶质细胞在这种疾病中起着关键作用。星形胶质细胞是大脑中被称为胶质细胞的支持细胞家族的成员，有助于维持突触处适当的化学环境。研究人员重点研究了涉及中刺运动神经元的突触，这些细胞的逐渐丧失是亨廷顿氏病的特征之一。研究人员首先要找出隐藏在三个不同细胞纠结中的突触，这三个细胞分别是：来自远处神经元的突触前轴突；其目标--突触后中棘运动神经元；以及邻近星形胶质细胞的纤维过程。为此，研究人员利用病毒为轴突、运动神经元和星形胶质细胞分别赋予荧光标签。然后，他们取出大脑，通过多光子显微镜对感兴趣的区域进行成像，并使用一种名为红外烙印的技术，利用激光在脑组织中创建参考点，以便研究人员随后重新定位感兴趣的细胞。研究小组随后使用哥本哈根大学的串行块面扫描电子显微镜对脑组织进行了检查。该设备使用钻石刀对脑组织的超薄切片进行连续切除和成像，从而创建出标记细胞及其在突触处相互作用的三维纳米级模型。"这些模型揭示了星形胶质细胞及其伴侣突触之间的几何和结构关系，这一点非常重要，因为这些细胞必须以特定的方式在突触处相互作用，"该研究的第一作者、神经医学转化中心高级助理卡洛斯-贝尼特斯-比利亚努埃瓦（CarlosBenitezVillanueva）博士说。"这种方法使我们有能力测量和描述突触环境的几何形状，并将其作为神经胶质疾病的一种功能来进行测量和描述。"在健康小鼠的大脑中，研究小组观察到，星形胶质细胞过程与圆盘状突触周围的空间接触并将其完全包围，形成了紧密的结合。相比之下，亨廷顿氏症小鼠的星形胶质细胞在投资或封存突触方面并不那么有效，留下了很大的空隙。这种结构缺陷使得钾和谷氨酸--调节细胞间通讯的化学物质从突触中渗漏出来，从而可能破坏正常的细胞间通讯。星形胶质细胞功能障碍与其他疾病有关，包括精神分裂症、肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆症。研究人员认为，这项技术可以大大提高我们对这些疾病确切结构基础的认识。他们特别指出，这项技术可用于评估细胞置换策略治疗这些疾病的效果，即用健康的神经胶质细胞置换患病的神经胶质细胞。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379357.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379357.htm

研究称单一剂量的酒精足以永久改变大脑神经元的形态

研究称单一剂量的酒精足以永久改变大脑神经元的形态由科隆大学、曼海姆大学和海德堡大学科学家们进行的一项表明，即使是单一剂量的酒精也会永久性地改变大脑神经元的形态。特别是，酒精会影响突触的结构以及线粒体的动态，线粒体是细胞的动力源。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1315959.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1315959.htm

科学家们发现了一种新的日常节奏 使人们了解到大脑活动是如何被微调的

科学家们发现了一种新的日常节奏使人们了解到大脑活动是如何被微调的该结果发表在《PLOS生物学》杂志上，可能有助于解释细微的突触变化如何改善人类的记忆。来自国家神经疾病和中风研究所（NINDS）的研究人员领导了这项研究，该研究所是国家卫生研究院的一部分。"抑制对大脑功能的各个方面都很重要。但二十多年来，大多数睡眠研究都集中在了解兴奋性突触上，"NINDS的高级调查员WeiLu博士说。"这是一项及时的研究，试图了解睡眠和清醒如何调节抑制性突触的可塑性"。Lu博士实验室的博士后WuKunwei调查了小鼠在睡眠和清醒时抑制性突触的情况。从海马体（一个参与记忆形成的大脑区域）的神经元进行的电记录显示了一种以前未知的活动模式。在清醒状态下，稳定的"强直"抑制活动增加，但快速的"阶段性"抑制活动减少。他们还发现，在清醒的小鼠神经元中，抑制性电反应的活动依赖性增强得多，这表明清醒，而不是睡眠，可能在更大程度上加强这些突触。抑制性神经元使用神经递质γ-氨基丁酸（GABA）来减少神经系统的活动。这些神经元在抑制性突触处将GABA分子释放到突触裂隙中，突触裂隙是神经元之间神经递质扩散的空间。这些分子与邻近的兴奋性神经元表面的GABAA受体结合，使其减少发射次数。进一步的实验表明，清醒时的突触变化是由α5-GABAA受体数量增加所驱动的。当受体在清醒小鼠体内被阻断时，活动依赖性的相位电反应的增强就会减弱。这表明，清醒时GABAA受体的积累可能是建立更强大、更有效的抑制性突触的关键，这是一个被称为突触可塑性的基本过程。"当你在白天学习新信息时，神经元受到来自大脑皮层和许多其他区域的兴奋性信号的轰击。"Lu博士说："为了将这些信息转变为记忆，你首先需要调节和完善它--这就是抑制的作用。"先前的研究表明，海马体的突触变化可能是由抑制性中间神经元发出的信号驱动的，这种特殊类型的细胞在大脑中只占大约10-20%的神经元。在海马中有超过20种不同的中间神经元亚型，但最近的研究强调了两种类型，即被称为副白蛋白和体蛋白，它们关键性地参与了突触调节。为了确定哪种神经元负责他们所观察到的可塑性，Lu博士的团队使用了光遗传学，这是一种使用光来打开或关闭细胞的技术，并发现清醒状态导致更多的α5-GABAA受体和来自副白蛋白的更强连接，而不是体蛋白的神经元。人类和小鼠拥有类似的神经回路，是记忆储存和其他基本认知过程的基础。这种机制可能是抑制性输入精确控制神经元之间和整个大脑网络的信息起伏的一种方式。Lu博士说："抑制实际上是相当强大的，因为它允许大脑以一种微调的方式执行，这基本上是所有认知的基础。"由于抑制对大脑功能的几乎每一个方面都至关重要，这项研究不仅有助于帮助科学家了解睡眠-觉醒周期，而且有助于了解植根于大脑节律异常的神经系统疾病，如癫痫。在未来，Lu博士的研究小组计划探索GABAA受体贩运到抑制性突触的分子基础。这项研究的部分资金来自于美国国家疾病预防控制中心的院内研究项目。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335699.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335699.htm

糖影响大脑"可塑性" 有助于学习、记忆和恢复

糖影响大脑"可塑性"有助于学习、记忆和恢复复杂的糖分子控制着神经元周围网（图中绿色）的形成，这些网环绕着神经元，帮助稳定大脑中的连接。资料来源：LindaHsieh-Wilson实验室研究人员于8月16日在美国化学学会（ACS）秋季会议上展示了他们的研究成果。美国化学学会2023年秋季会议将于8月13-17日以虚拟和现场相结合的方式举行，大约有12000个关于各种科学主题的报告。复合糖和大脑可塑性给水果、糖果或蛋糕增添甜味的糖实际上只是多种糖类中的几个简单品种。当它们串联在一起时，就能形成各种各样的复合糖。GAG是通过连接其他化学结构（包括硫酸基团）而形成的。"如果我们研究大脑中GAGs的化学结构，就能了解大脑的可塑性，并希望将来能利用这些信息恢复或增强记忆中的神经连接，"在会议上介绍这项研究的项目首席研究员琳达-谢-威尔逊（LindaHsieh-Wilson）博士说。她解释说："这些糖能调节许多蛋白质，它们的结构在发育过程中和疾病发生时会发生变化。"谢-威尔逊现就职于加州理工学院（Caltech）。在大脑中，最常见的GAG形式是硫酸软骨素，它存在于大脑许多细胞周围的细胞外基质中。硫酸软骨素还能形成被称为"神经元周围网"的结构，这种结构包裹着单个神经元，并稳定它们之间的突触连接。硫酸化模式及其影响改变GAG功能的一种方法是硫酸化图案，即糖链上的硫酸基团模式。谢-威尔逊的团队对这些硫酸化模式如何发生改变，以及它们可能如何调控神经可塑性和社会记忆等生物过程很感兴趣。有朝一日，研究人员也可以通过调节这些功能来治疗中枢神经系统损伤、神经退行性疾病或精神疾病。当研究小组删除了小鼠体内负责形成硫酸软骨素两种主要硫酸化模式的Chst11基因后，小鼠的神经元周围网出现了缺陷。然而，在没有硫酸化图案的情况下，神经元网络的数量实际上增加了，从而改变了神经元之间突触连接的类型。此外，这些小鼠无法辨认出它们以前接触过的小鼠，这表明这些模式会影响社会记忆。记忆和治疗的潜力有趣的是，这些网络可能比以前认为的更具活力--它们可能在儿童期和成年期都发挥着作用。当研究人员在成年小鼠的大脑中特异性地靶向Chst11时，他们发现它对神经周细胞网和社会记忆产生了同样的影响。谢-威尔逊说："这一结果表明，有可能在青春期或成年期操纵这些网络，从而有可能重新连接或加强某些突触连接。"在最近的其他实验中，研究小组希望了解GAGs及其硫酸化模式如何影响轴突再生，或神经元在损伤后的自我重建能力。研究人员目前正在努力确定能与特定硫酸化图案结合的蛋白质受体。到目前为止，他们已经发现，特定基团会导致这些受体在细胞表面聚集在一起，抑制再生。阻断这一过程可以创造出促进轴突再生的工具或治疗方法。Hsieh-Wilson说，对这一过程有更深入的了解有朝一日可以帮助修复某些神经退行性疾病或中风造成的损伤。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377789.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377789.htm