全球首次成功测量自由行动环境下的灵长类动物大脑皮层深层神经活动

生命科学 2018年09月12日
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日本庆应义塾大学与美国斯坦福大学组成的联合研发小组利用小型荧光显微镜,全球首次成功实现了自由行动中的狨猴大脑深层神经活动的可视化。

此前测量大脑深层神经活动时,一直使用双光子显微镜,但由于需要将动物的头部固定到测量装置上,无法让动物做复杂的动作和社会行为。通过将美国Inscopix公司重量仅2g的超小型荧光显微镜nVista植入脑内,能在动物自由行动的环境下测量大脑深层的神经活动。该产品由此次的共同研究人员之一、斯坦福大学施尼策尔副教授等人开发。

研发小组利用这款小型荧光显微镜,在自由行动的环境下,成功测量了狨猴大脑皮层距离脑皮层约2000μm处的神经细胞活动。另外,还根据测量的各神经活动的模式,成功预测出了狨猴是向右还是向左伸手等行动。

具体做法是,在狨猴大脑运动皮层的神经细胞中强制表达钙荧光指示剂,并植入内窥镜镜头,由此同时记录了运动皮层的80-240个神经细胞(图1)。研发小组对狨猴自由行动时能否真正测量到运动皮层的神经细胞活动进行了验证,在狨猴做攀爬杠杆的动作时,通过测量数据确认了运动皮层的神经活动(图2)。另外,为测量自由行动环境下的运动皮层神经活动,通过解析具有树上生活习性的狨猴爬梯子时的神经活动测量数据,确定了手抓住梯子时活动的神经细胞(图 3)。

利用小型荧光显微镜对运动皮层进行钙成像

图1:利用小型荧光显微镜对运动皮层进行钙成像

正在自由运动的狨猴的运动皮层神经细胞活动

图2:正在自由运动的狨猴的运动皮层神经细胞活动

自由行动环境下的钙成像

图3:自由行动环境下的钙成像

为验证这些神经细胞是如何参与运动控制的,研发小组让狨猴向左右伸手,发现神经细胞具有“方向选择性”,根据伸手方向的不同,神经细胞的活动模式也会发生变化。研发小组以这些脑神经活动为基础,制作了预测狨猴伸手方向的计算模型(Decoder),以高概率成功地预测了实际的伸手方向(图 4)。

因神经细胞而异的运动皮层神经细胞的方向选择性

图4:因神经细胞而异的运动皮层神经细胞的方向选择性

这种利用内窥镜镜头的观察方法还可用于大脑更深层的基底部位和海马体等区域的观察,将成为研究灵长类动物的运动、认知和记忆等复杂脑功能相关的神经网络的有力工具。另外,通过将该方法应用于有精神和神经疾病的模型狨猴,还有望对治疗人类的精神和神经疾病提供借鉴。

相关研究成果于8月22日发布在科学杂志《Cell Reports》上。

文 客观日本编辑部

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