食欲控制：对水母和果蝇的研究揭示了饥饿调节的古老根源

食欲控制：对水母和果蝇的研究揭示了饥饿调节的古老根源数十年的研究表明，进食的动机，即饥饿感和饱腹感，是由激素和称为神经肽的小蛋白质控制的。它们在人类、小鼠和果蝇等广泛的生物体中都有发现。如此广泛的出现表明有一个共同的进化起源。为了探索这一现象，一个研究小组转向了水母和果蝇，从中发现了一些令人惊讶的结果。尽管水母在至少6亿年前与哺乳动物有共同的祖先，但它们的身体更简单；它们拥有被称为神经网的分散的神经系统，而不像哺乳动物有更具体的结构，如大脑或神经节。然而，水母拥有丰富的行为，包括精心设计的觅食策略、交配仪式、睡眠甚至学习。尽管它们在生命之树中具有重要地位，但这些迷人的生物仍然没有得到充分的研究，而且对它们如何控制食物的摄入几乎一无所知。水母Cladonemapacificum该小组由日本东北大学生命科学研究生院的HiromuTanimoto和VladimirosThoma领导，专注于Cladonema，一种具有分支触角的小型水母，可以在实验室中饲养。这些水母根据它们的饥饿程度来调节它们的进食量。"首先，为了了解喂养调节的基本机制，我们比较了饥饿和喂养水母的基因表达谱，"Tanimoto说。"摄食状态改变了许多基因的表达水平，包括一些编码神经肽的基因。通过合成和测试这些神经肽，我们发现有五种神经肽能减少饥饿水母的摄食。"研究人员随后仔细研究了这样一种神经肽--GLWamide--如何控制摄食。一项详细的行为分析显示，GLWamide抑制了触手的缩短，这是一个将捕获的猎物转移到口中的关键步骤。当研究人员对GLWamide进行标记时，他们发现它存在于位于触手基部的运动神经元中，而且摄食会增加GLWamide的水平。这导致了这样的结论：在克拉多纳马，GLW酰胺作为一种饱腹感信号--一种发送到神经系统的信号，表明身体已经吃够了食物。GLWamide（绿色）在Cladonema眼球（黑圈）周围的神经元中表达。细胞核以洋红色显示。资料来源：VladimirosThoma等人。然而，研究人员对探索这一发现的进化意义的追求并没有就此停止。相反，他们将目光投向了其他物种。果蝇的进食模式是由神经肽肌抑制肽（MIP）调节的。缺乏MIP的果蝇会吃更多的食物，最终体型变得肥胖。有趣的是，MIP和GLWamide在结构上有相似之处，这表明它们通过进化有关联。Thoma说："由于GLWamide和MIP的功能在6亿年的分化中一直保持不变，这使我们思考是否有可能交换这两者。我们正是这样做的，首先给水母提供MIP，然后在没有MIP的苍蝇中表达GLWamide。"令人惊讶的是，MIP减少了Cladonema的摄食，就像GLWamide一样。此外，苍蝇体内的GLWamide消除了它们异常的过度进食，这表明GLWamide/MIP系统在水母和昆虫中的功能保存。Tanimoto指出，他们的研究强调了一个保守的饱腹感信号的深刻进化起源，以及利用比较方法的重要性。"我们希望我们的比较方法将激励人们在更广泛的进化背景下集中调查分子、神经元和电路在调节行为方面的作用"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354305.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354305.htm

小触角，大发现：果蝇如何以少感知多？

小触角，大发现：果蝇如何以少感知多？这项研究的第一作者、物理学博士生帕尔卡-普里（PalkaPuri）说："我们的工作揭示了昆虫用来对复杂嗅觉刺激做出反应的感觉处理算法。研究表明，昆虫感觉神经元的专门组织是解开谜题的关键--实现了一个重要的处理步骤，促进了中枢大脑的计算。"Puri和他的合著者，博士后学者Shiuan-TzeWu、副教授Chih-YingSu和助理教授JohnatanAljadeff在《美国国家科学院院刊》上发表了这些发现。这项新研究挑战了以前关于中枢大脑是果蝇气味处理的主要场所的假设。相反，它表明昆虫感官能力的有效性依赖于其感官系统外围的"预处理"阶段，该阶段为稍后在中枢脑区进行的计算准备气味信号。加州大学圣迭戈分校的科学家们提出了一种解决方案，解决了果蝇如何利用简单而高效的系统识别气味的问题。图片来源：加州大学圣地亚哥分校阿尔杰德夫实验室果蝇通过触角来感知气味，触角上长满了能探测周围环境元素的感觉毛。每根感觉毛通常有两个嗅觉受体神经元（或称ORN），它们会被环境中不同的气味分子激活。耐人寻味的是，同一根感觉毛上的嗅觉受体神经元通过电相互作用紧密耦合在一起。这种情况就好比两根载流导线紧靠在一起。电线携带的信号通过电磁相互作用相互干扰。然而，就果蝇的嗅觉系统而言，这种干扰是有益的。研究人员发现，当果蝇遇到气味信号时，感受器之间的特定干扰模式能帮助果蝇迅速计算出气味的"要点"："它对我是好是坏？"外围的这一初步评估结果随后被传递到果蝇大脑中枢的一个特定区域，在那里，有关外界气味的信息被转化为行为反应。研究人员发现，当果蝇遇到气味信号时，嗅觉感受器之间的特定干扰模式能帮助果蝇快速计算出气味的"要点"。资料来源：PalkaPuri，加州大学圣地亚哥分校研究人员构建了一个数学模型，说明气味信号是如何通过ORN之间的电耦合进行处理的。然后，他们分析了蝇类大脑的线路图（"connectome"），这是霍华德-休斯医学研究所研究园区的科学家和工程师生成的一个大规模数据集。这样，研究人员就能追踪来自感官外围的气味信号是如何整合到大脑中枢的。生物科学学院教师阿尔杰德夫说："值得注意的是，我们的工作表明，最佳气味混合--每根感觉毛发最敏感的精确比例--是由耦合嗅觉神经元之间的基因预定大小差异决定的。我们的工作凸显了感觉外围在中枢大脑处理先天意义气味和学习气味方面意义深远的算法作用。"阿尔杰德夫用一个形象的比喻描述了这一系统。果蝇就像一台可以检测特定类型图像的专用相机，它已经开发出一种基因驱动的方法来区分图像，或者在这种情况下，区分气味混合物。他说："我们发现，果蝇的大脑具有从这种非常特殊的相机中读取图像的线路，然后启动行为。"为了得出这些结果，研究人员将苏的实验室以前的研究成果进行了整合，这些研究成果描述了果蝇嗅觉系统中ORNs在感觉毛中的保守组织。在每只果蝇身上，相同气味分子所携带的信号总是相互干扰，这一事实向研究人员表明，这种组织是有意义的。苏说："这项分析表明，大脑高级中枢的神经元如何利用外围的平衡计算。真正将这项工作提升到另一个高度的是，这种外围预处理能够在多大程度上影响高级大脑功能和电路操作。"这项工作可能会启发人们研究外围器官处理过程在其他感官（如视觉或听觉）中的作用，并有助于为设计具有解释复杂数据能力的小型检测设备奠定基础。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435231.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435231.htm

科学家成功解码果蝇孤雌生殖的基因过程

科学家成功解码果蝇孤雌生殖的基因过程为了取得突破性进展，剑桥大学的研究人员在六年时间里对22万多只果蝇进行了研究。为了寻找导致昆虫"孤雌生殖"的基因，研究小组研究了另一种果蝇--丝光果蝇的两个品系。其中一个品系只能进行有性繁殖，而另一个品系却能进行孤雌生殖。通过比较这两个品系的遗传密码，科学家们找出了哪些基因与孤雌生殖有关。他们打开或关闭了相应的基因，使之与黑腹果蝇相匹配，并取得了成功。受试果蝇突然可以进行无性繁殖，尽管它们只能生出几乎是其父母克隆的雌蝇。在研究中，果蝇等待了大约40天（约占其生命的一半）来寻找雄性配偶，当没有雄性配偶时，它们就进行无性繁殖。有趣的是，转基因虫子的所有女儿也都保留了孤雌生殖的能力，不过只有1%到2%的女儿有这种行为，而且是在没有雄性出现的情况下。否则，它们照常交配和生育。剑桥大学研究员、论文第一作者亚历克西斯-斯珀林博士说："我们首次证明可以在动物身上设计出处女产子--看到孤独的雌性果蝇产生一个能够发育到成年的胚胎，然后重复这个过程，真是令人兴奋。"研究人员说，在可以进行有性繁殖的动物中，孤雌生殖的情况极为罕见，但有时也会在长期与世隔绝的雌性动物园动物身上看到。不过，当一些物种面临生存压力时，它们会进化出一种无性繁殖模式。事实上，斯帕林计划利用这项工作，进一步研究为什么世界各地的昆虫--尤其是害虫的孤雌生殖现象开始增多。斯佩林说："如果昆虫害虫的处女生育继续存在选择压力，最终将导致它们只能以这种方式繁殖。"这可能会成为农业的一个真正问题，因为雌虫只生产雌虫，所以它们的传播能力会加倍。斯珀林和她的团队还指出，虽然他们的研究可能是首创，但可能无法应用到其他动物身上。这是因为黑腹果蝇被用于研究已经有一个多世纪了，而且其遗传密码也非常清楚。事实上，通过对该物种的研究，人们可能已经了解了延长寿命、了解零重力对身体的影响、追踪微塑料对健康的影响，以及为消除创伤记忆提供了一种可能的方法。该研究成果已在《当代生物学》（CurrentBiology）杂志上发表。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373735.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373735.htm

关于大脑衰退的真相：新的研究揭示了令人惊讶的发现

关于大脑衰退的真相：新的研究揭示了令人惊讶的发现临床技术专家DorienvanBlooijs和神经学家FransLeijten与乌特勒支大学和梅奥诊所的同事合作，对我们大脑处理速度的老化过程进行了研究。更快的连接研究人员发现，除其他事项外，我们大脑中的连接变得越来越快：从4岁儿童的每秒2米到30至40岁的人的每秒4米。换句话说，是翻了一番。只有在这个年龄段之后才会放慢速度。"我们的大脑继续发展的时间比我们想象的要长得多，"vanBlooijs说。研究人员还看到大脑区域之间的差异。额叶，即我们大脑中负责思考和执行任务的前部，比负责运动的区域发展得更久。研究人员表示，由于以前的研究，我们已经知道这一点，但现在我们有了具体的数据，速度的发展不是一条直线，而是一条曲线。大脑地图研究人员通过使用一些癫痫患者在准备进行癫痫手术时被放置在大脑（颅骨下）的电极网进行精确测量而获得了这些数据。该网格由60-100个电极组成，可以测量大脑活动。"通过使用短电流刺激电极，我们可以看到哪些大脑区域反应不正常。因此，我们可以创建一个地图，说明在癫痫手术中哪些区域应该和不应该被切除，"Leijten说。事实上，这些数据还可以让研究人员了解到一些关于我们的大脑如何工作的知识，这是一个新的见解。"我们已经收集这些数据大约20年了，"Leijten说。"直到几年前，我们才意识到我们可以用未受影响的区域作为健康人脑的模型。如果你在一个区域刺激一个电极，另一个区域就会发生反应。这让你知道这两个区域是相连的。然后你可以测量反应发生需要多长时间。如果你知道两个不同脑区之间的距离，你可以计算出信号传输的速度。"更好的计算机模型这项研究的结果提供了关于我们中枢神经系统的重要信息。科学家们长期以来一直试图绘制我们大脑中的连接。有了这些信息，专家们可以为我们的大脑制作更真实的计算机模型。为了使这些模型发挥作用，除了有关连接的信息外，还需要有关这些连接速度的精确数值。"我们现在第一次有了这些数字，"Leijten解释说，"有了我们的数据，研究人员可以制作新的和更好的计算机模型，增加我们对大脑的了解。我们期望我们的工作不仅能推动癫痫研究，也能推动对其他大脑疾病的研究"。开放进步随着这次在《自然-神经科学》上的发表，所有的数据都已经可以公开访问。这被称为开放科学，它意味着全世界的研究人员都可以使用这些数据。通过参与研究，患者为进步做出了贡献。我们获得的知识可以用来更好地治疗未来的病人。VanBlooijs将在今年年底获得博士学位。她说："这些数据有很多可能性，比我们能做的更多。我很好奇，看看全世界所有有创造力的人将会想出什么样的研究。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360413.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360413.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

Science：新的成像方法揭示了氧气在大脑中的旅程

Science：新的成像方法揭示了氧气在大脑中的旅程发表在《科学》(Science)杂志上的一项新的生物发光成像技术，创造了非常详细、视觉上引人注目的小鼠大脑中氧气运动的图像。这种方法很容易被其他实验室复制，它将使研究人员能够更精确地研究缺氧的形式，比如中风或心脏病发作时大脑部分缺氧。这项研究已经深入了解了为什么久坐不动的生活方式会增加患阿尔茨海默病等疾病的风险。“这项研究表明，我们可以连续监测大脑大范围内氧浓度的变化，”罗切斯特大学和哥本哈根大学转化神经医学中心的联合主任MaikenNedergaard说。MaikenNedergaard说:“这为我们提供了一个更详细的图像，实时了解大脑中发生了什么，使我们能够识别以前未被发现的暂时缺氧区域，这反映了血液流动的变化，可能引发神经功能障碍。”萤火虫和偶然的科学这种新方法使用了发光蛋白，这是在萤火虫中发现的生物发光蛋白的化学表亲。这些已被用于癌症研究的蛋白质，利用一种病毒向细胞传递指令，以酶的形式产生发光蛋白质。当这种酶遇到它的底物furimazine时，化学反应就会产生光。像许多重要的科学发现一样，利用这个过程来成像大脑中的氧气是偶然发现的。哥本哈根大学转化神经科学中心的助理教授FelixBeinlich最初打算用发光蛋白来测量大脑中的钙活性。很明显，蛋白质生产过程中出现了错误，导致了长达数月的研究延迟。当FelixBeinlich等待制造商的新一批产品时，他决定继续进行实验，以测试和优化监测系统。这种病毒被用来向星形胶质细胞传递产生酶的指令，星形胶质细胞是大脑中普遍存在的支持细胞，维持神经元的健康和信号功能，这种底物被直接注射到大脑中。这些记录揭示了生物发光强度波动的活动，研究人员怀疑这反映了氧气的存在和浓度，后来证实了这一点。FelixBeinlich说:“在这种情况下，化学反应依赖于氧气，所以当有酶、底物和氧气时，系统就开始发光。”虽然现有的氧气监测技术只能提供大脑一小块区域的信息，但研究人员可以实时观察到小鼠的整个大脑皮层。生物发光的强度与氧气的浓度相对应，研究人员通过改变动物呼吸的空气中的氧气量来证明这一点。光强度的变化也与感觉处理相对应。例如，当一股空气刺激老鼠的胡须时，研究人员可以看到大脑相应的感觉区域亮了起来。“缺氧口袋”可能预示着老年痴呆症的风险大脑在没有氧气的情况下无法存活很长时间，中风或心脏病发作后迅速造成的神经损伤就证明了这一点。但是，当大脑的一小部分短暂缺氧时会发生什么呢?直到Nedergaard实验室的研究小组开始仔细研究新的录音，这个问题才被研究人员提出。在监测小鼠的过程中，研究人员观察到，大脑的特定微小区域会间歇性地变暗，有时会持续几秒钟，这意味着氧气供应被切断。氧气通过一个由动脉和毛细血管组成的巨大网络在大脑中循环，毛细血管渗透到脑组织中。??通过一系列实验，研究人员能够确定氧气被拒绝是由于毛细血管阻塞，当白细胞暂时阻塞微血管并阻止携带氧气的红细胞通过时，就会发生这种情况。研究人员将这些区域命名为“缺氧口袋”，与小鼠活动时相比，它们在静息状态下的大脑中更为普遍。毛细血管停滞被认为随着年龄的增长而增加，并在阿尔茨海默病模型中观察到。MaikenNedergaard说:“我们可以研究一系列与大脑缺氧相关的疾病，包括阿尔茨海默氏症、血管性痴呆和长期COVID，以及久坐不动的生活方式、衰老、高血压和其他因素如何导致这些疾病。”“它还提供了一种工具来测试不同的药物和运动类型，这些药物和运动可以改善血管健康，减缓痴呆症的发展。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426507.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426507.htm