在學(xué)習(xí)和記憶形成過程中，大腦的不同部分如何相互交流?加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員的一項(xiàng)新研究為回答這個(gè)基本的神經(jīng)科學(xué)問題邁出了第一步。

這項(xiàng)研究是通過開發(fā)一種神經(jīng)植入物來實(shí)現(xiàn)的，該植入物可以同時(shí)監(jiān)測(cè)大腦不同部位的活動(dòng)，從表面到深層結(jié)構(gòu)——這是該領(lǐng)域的首創(chuàng)。使用這項(xiàng)新技術(shù)，研究人員表明，在已知在學(xué)習(xí)和記憶形成中發(fā)揮作用的兩個(gè)大腦區(qū)域——海馬體和大腦皮層之間發(fā)生了不同的雙向交流模式。研究人員還表明，這些不同的交流模式與稱為銳波漣漪的事件有關(guān)，這些事件在睡眠和休息期間發(fā)生在海馬體中。

研究人員在《自然神經(jīng)科學(xué)》上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

“這項(xiàng)技術(shù)是專門為同時(shí)研究不同大腦區(qū)域之間的相互作用和交流而開發(fā)的，”共同通訊作者、加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授 Duygu Kuzum 說。“我們的神經(jīng)植入物用途廣泛;它可以應(yīng)用于大腦的任何區(qū)域，并且可以研究其他皮質(zhì)和皮質(zhì)下大腦區(qū)域，而不僅僅是海馬和大腦皮層。”

“人們對(duì)不同的大腦區(qū)域如何協(xié)同工作以產(chǎn)生認(rèn)知和行為知之甚少，”加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院和生物科學(xué)系神經(jīng)生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)教授 Takaki Komiyama 說，他是該研究的另一位共同通訊作者. “與一次研究一個(gè)大腦區(qū)域的傳統(tǒng)方法相比，本研究中引入的新技術(shù)將開始讓我們了解大腦作為一個(gè)整體如何控制行為以及該過程如何在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中受到損害。”

神經(jīng)植入物由薄的、透明的、柔性的聚合物條組成，該條由微米尺寸的金電極陣列制成，鉑納米顆粒已沉積在其上。每個(gè)電極都通過微米細(xì)的電線連接到定制的印刷電路板。Kuzum 的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了這種植入物。他們與 Komiyama 的實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行腦成像研究。

設(shè)計(jì)多用途神經(jīng)探針

這種神經(jīng)植入物的獨(dú)特之處在于它可用于同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)大腦區(qū)域的活動(dòng)。它可以記錄來自大腦深處單個(gè)神經(jīng)元(如海馬體)的電信號(hào)，同時(shí)對(duì)大腦皮層等大面積區(qū)域進(jìn)行成像。

“我們的探針使我們能夠在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中無縫地結(jié)合這些模式。這是目前的技術(shù)無法做到的，”電氣和計(jì)算機(jī)工程博士 Xin Liu 說。Kuzum 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。Liu 和 Chi Ren 是該研究的共同第一作者，Chi Ren 是加州大學(xué)圣地亞哥分校最近的生物科學(xué)博士。研究生，現(xiàn)為小宮山實(shí)驗(yàn)室博士后研究員，電氣與計(jì)算機(jī)工程博士陸奕辰。Kuzum 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。

多種設(shè)計(jì)特點(diǎn)使多區(qū)域監(jiān)測(cè)成為可能。一是這種探頭是靈活的。當(dāng)它被插入到大腦深處以監(jiān)測(cè)像海馬體這樣的區(qū)域時(shí)，從大腦中伸出的部分可以向下彎曲，為顯微鏡留出空間靠近表面進(jìn)行大腦皮層的成像。同時(shí)。傳統(tǒng)的神經(jīng)探針是剛性的，所以它們會(huì)妨礙顯微鏡;因此，在對(duì)大腦表面進(jìn)行成像時(shí)，它們不能用于監(jiān)測(cè)深部大腦結(jié)構(gòu)。盡管加州大學(xué)圣地亞哥分校團(tuán)隊(duì)的神經(jīng)探針柔軟而靈活，但它的設(shè)計(jì)可在插入過程中承受壓力下的屈曲。

另一個(gè)重要的特點(diǎn)是這個(gè)探頭是透明的，所以它給顯微鏡一個(gè)清晰的視野。它也不會(huì)在成像過程中產(chǎn)生任何陰影或額外的噪音。

探索基本的神經(jīng)科學(xué)問題

這項(xiàng)研究的動(dòng)機(jī)是了解不同認(rèn)知過程(例如學(xué)習(xí)和記憶形成)在大腦中是如何發(fā)生的。這些過程涉及海馬體和大腦皮層之間的交流。但是這種交流究竟是如何發(fā)生的呢?哪個(gè)大腦區(qū)域啟動(dòng)了這種交流：海馬體還是大腦皮層?Kuzum 說，這些類型的問題一直沒有答案，因?yàn)楹茈y同時(shí)研究這兩個(gè)大腦區(qū)域。

“我們對(duì)研究皮質(zhì)-海馬相互作用的性質(zhì)很感興趣，所以我們建立了一項(xiàng)技術(shù)來探索這個(gè)神經(jīng)科學(xué)問題，”她說。

研究人員使用他們的探針來監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)基因小鼠海馬體和大腦皮層的活動(dòng)。具體來說，他們?cè)诤ｑR體中發(fā)生稱為銳波波紋的振蕩之前、期間和之后監(jiān)測(cè)了活動(dòng)。

他們的實(shí)驗(yàn)表明，海馬體和大腦皮層之間的交流是雙向的：有時(shí)是皮層發(fā)起交流，有時(shí)則是海馬體。研究人員說，這是理解大腦區(qū)域間交流的重要第一條線索。

“海馬-皮層相互作用在記憶鞏固和檢索中很重要，”任說。“我們?cè)谶@里報(bào)道的雙向交流不同于傳統(tǒng)的大腦皮層被動(dòng)接收來自海馬體的信息的觀念。相反，皮層積極參與將信息編碼到大腦中，并可能在記憶鞏固和檢索過程中發(fā)揮指導(dǎo)作用。”

“我們現(xiàn)在可以開始新的研究，以解開學(xué)習(xí)和記憶等過程是如何發(fā)生的，”庫(kù)祖姆說。“例如，當(dāng)大腦獲取新信息時(shí)，海馬體如何將記憶轉(zhuǎn)移到皮層進(jìn)行存儲(chǔ)，或者皮層是否發(fā)出提示轉(zhuǎn)移記憶?我們的研究結(jié)果表明，溝通可以由任一個(gè)發(fā)起，但要超越這一點(diǎn)，我們需要進(jìn)行行為研究。”

這項(xiàng)研究還表明，海馬體和大腦皮層之間存在多種不同的交流方式。研究人員發(fā)現(xiàn)，每次出現(xiàn)尖波漣漪時(shí)，海馬體都會(huì)與大腦皮層的至少八個(gè)不同部分進(jìn)行交流。此外，這八種皮層活動(dòng)模式中的每一種都與海馬中不同的神經(jīng)元群有關(guān)。

“這些發(fā)現(xiàn)表明，大腦區(qū)域之間的相互作用，不僅是皮層和海馬體之間的相互作用，還可以從根本上多樣化和靈活。因此，多個(gè)大腦區(qū)域可以有效地協(xié)同工作，產(chǎn)生快速適應(yīng)不斷變化的環(huán)境的認(rèn)知和行為，”任說。