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研究小鼠视觉的神经科学家 精选

已有 8618 次阅读 2013-10-10 22:34 |个人分类:研究生培养|系统分类:海外观察

视觉中枢信息处理的研究结果过去主要来自猫和猴,休博尔和威塞尔曾经因为纪录到视觉皮层神经细胞对视觉信号具有选择性,给中枢神经系统的研究提供了研究模式而获得医学生理学诺贝尔奖,他们的得意门生史崔克通过改进纪录技术,最近将这种发现扩展到小鼠,给视觉研究带来了新的通道,这种技术结合光诱导技术是美国脑图研究的重要技术手段,有希望神经科学的研究带来新的突破。今日《自然》在重点关注新科诺贝尔的同时,重点关注这一领域,意味深长,也许其潜台词是说,这一技术也具有冲击诺贝尔生理医学奖的潜质。

克里斯尼尔是研究小鼠视觉形成机制,这显得象有点不靠谱。小鼠是夜行动物,主要用他们的鼻子胡须导航,因此许多研究人员都相信童谣三只瞎老鼠符合事实,许多小鼠视觉实验没有任何价值。猴子才是研究视觉的可靠动物,因为它们有敏锐的目光、宽广的视野。更为重要的是,科学家研究灵长类动物视觉可以采用多年建立的研究技术,而相关研究结果可以更容易用于理解人类视觉系统。许多人都认为尼尔研究小鼠视觉实在太弱者了。

尼尔确信,这些小鼠给视觉研究提供了独特信息。上世纪60年代以来,研究人员已经使用猫和猴子发现关于大脑如何将信息从眼睛传递到大脑并形成图像视觉的重要线索。在细胞水平上调查这一过程,研究人员必须能够精确控制和监测神经元。这种技术难以用于猫和猴子,但在小鼠却相对容易。如果小鼠和灵长类动物有类似的视觉刺激处理方式,那么用小鼠进行研究将可以使人们理解大脑从外界刺激中提取信息的方式,甚至有助于理解大脑的工作原理。

尼尔找到了志同道合者,加州大学旧金山分校的迈克尔史崔克,看过尼尔关于小鼠视觉的研究论文后,他给他一个作博士后的位置,两人在2005年开始共同开展这一研究。

经过进10年的努力,两个科学家一直配合默契。去年的神经科学年会上,尼尔参加了小鼠视觉分会。20123月,华盛顿西雅图艾伦脑科学研究所宣布进行一项耗资1亿美元的小鼠视觉图谱计划(美脑图计划?)。20136月,

纽约冷泉港实验室组织的为期2周的视觉培训班上,对小鼠的优势大加推崇。22个学员中有15个学习了小鼠视觉系统的研究方法。加大圣地亚哥分校的Andrew Huberman教授使该课程的班主任。他回忆说,2001年的时候只有12位学员用小鼠研究视觉发育,但没有任何学员用小鼠研究视觉功能。变化简直就是天翻地覆。

之所以引起如此大的关注主要是因为技术上的巨大进步,特别是使用光诱导神经元放电技术的应用,将使科学家可以精确操纵神经元成为可能。经费和伦理学也是一个重要因素,研究小鼠便宜、快速和更少可能引起伦理学问题。

但是从小鼠研究获得的数据有多少对理解人类视觉有用处仍不得而知,对神经科学家来说,小鼠视觉皮层就象职能手机,每个人都想弄个来玩玩,但也只是因为这玩意是人类发现电以来制造的最方便、最伟大的东东。

尼尔想重温一下视觉领域最著名的开创性研究。上世纪五六十年代,大卫·休博尔(上个月去世)和托尔斯滕威塞尔将电极放在猫和猴子的大脑背部,采用声音信号跟踪神经元电活动。当动物注视倾斜线和移动的小圆点时,研究人员可以通过声音来识别神经元的不同响应。因为发现了这种神经元对外界刺激的反应信号纪录手段,并成为“皮质计算”的研究范式,休博尔和威塞尔后来获得诺贝尔奖。研究发现,视皮层的神经元对来自眼睛的信号具有很高的选择性。有的神经元只对垂直线响应,有的只对水平线响应,有的对条纹向左倾斜40度以上响应,有的对点向右上30度升高有响应。

尼尔现在经营俄勒冈大学的一个实验室,他很清楚这些过去发现的规律在小鼠身上重复出来很不容易,或者根本上完全不同。电极很容易破坏神经元,给纪录信号带来很大麻烦。经过反复改进,尼尔和史崔克采用芯片微电极技术解决了这一问题。

史崔克曾经接受大师休博尔和威塞尔的训练,曾经纪录了第一幅对各种线条发生响应的神经元。史崔克回忆当年获得实验结果的兴奋,说简直不敢相信这些结果,皮层上的图像就想是书上的图像一样。

研究结果证明,小鼠的视皮层和猫猴研究的结果一致,这说明小鼠视觉皮层完全可以作为高等动物视觉皮层的研究模型。他们的研究结果吸引了大批粉丝。最早来实验事拜访的是加州大学圣地亚哥分校的Hillel Adesnik Bassam Atallah。这两位是用小鼠大脑脑片研究不同类型神经元相互联系方式的。他们过去能监测电刺激引起的神经元之间的联系,但他们无法知道这些刺激的类型。他们强烈希望可以纪录大脑对真实生理刺激的反应,这些刺激包括活体动物的视觉、嗅觉和触觉等。当他们听说来自旧金山的这一消息,他们马上跳上摩托车,走了800公里来向尼尔学习技术(感人吧?)。未完待续。




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