神经系统是如何运作的 — 科学家们拍了一段视频

数百个神经元在蠕虫体内的活动和数千个神经元在鱼脑内的活性被实时看到.

要了解大脑是如何工作的,你需要准确反映其结构. 如果我们回顾神经细胞结构的特异性,它们形成大量细胞间接触的能力,那么这里的大脑结构不仅应该被理解为"大块"结构(脑,丘脑,皮层等),而且还应该理解它们之间连接的整个系统. 当然,大脑具有大量的可塑性供给:其中的细胞间突触出现并消失. 然而,在大脑中,有不断的交流渠道,这些渠道保持不变,构成大脑内部信息流动的物质基础。

第 号



直到现在,只有神经系统中的连接被详细描述的机体仍然是线虫 Caenorhabditis elegans. 这种蠕虫的神经系统只有302个细胞,因此神经科学家们能够非常迅速地找出它与什么联系——到1986年,已经绘制出C. elegans的神经间连接的完整图. 当然,科学家们很快考虑为人类的大脑绘制出类似的地图,但是人类的大脑并没有302个,而是大约1000亿个神经元,所以你可以想象研究人员所面临的一个巨型任务. 此外,神经元并不只是形成一个非成形的网络,它们折叠成执行特定任务的功能区,这些功能区又反过来在宏观层面相互相互作用并遵守一些额外的建筑规则. 这一切使得大脑的映射非常困难。

科学家试图从不同的角度来解决这个问题,有时是相当出人意料的方法. 去年,斯坦福大学的研究人员设法使老鼠大脑和人类大脑的碎片变得几乎透明:神经组织被用洗涤剂处理,这样只有神经细胞的蛋白“斯凯莱通斯”才能留在体内,而利用荧光蛋白,可以追踪神经过程从皮层外层到大脑内部的分布情况。

另一方面,旧的绘图方法继续成功,神经组织被切成上千个层,每个层有几十个微分厚度,然后这些层被凝视,评估了相似性和差异. 在分析它们的结构后,可以用更高的精度来绘制大脑的三维图. 这些工作是不断进行的,大脑地图集也逐渐变得更加详细. 去年,尤利希研究中心(德国)的一组科学家,与德国和加拿大其他研究中心的同僚一起,用20微米的分辨率绘制出人类大脑三维图集 — — 这幅大脑图的准确度是其前身的50倍。

神经科学家往往只处理神经结构的一个单一方面,例如试图绘制出大脑所有区域之间的路径. 这里也取得了显著的成功:就在一个月前,来自大脑的艾伦研究所的研究人员报告说,他们能够确定整个大脑内部的连接,然而,到目前为止,他们只能为老鼠大脑。

但是,让我们假设我们知道大脑中存在的所有连接, 最详细的三维地图集已经建立—— 足够理解大脑是如何工作的吗? 显然不是,因为我们不会确切知道神经冲动如何在神经元和大脑大而小的部位之间的连接网络中分布。 作为类比,计算机芯片可以被使用:我们可以随心所欲地看待它们,但从它们的外观来看,我们无法确定一台计算机是目前使用视频文件还是文本编辑器. 要做到这一点,我们需要进入芯片,“看”贯穿它的电流。 同样的,你必须进入神经元内部, 你必须知道神经细胞间冲动的分布, 才能了解它是如何运作的。

科学家早就能够记录和分析神经细胞的活动. 很容易猜到,观察单个神经元的活性不会告诉我们任何东西——我们需要知道它从谁那里收到信号,并且传递给谁,也就是整个神经元的活动,或者至少大部分的神经元. 但是神经电路本身并不存在,它们相互交换信息. 我们可以确定哪组神经元参与,例如运动活性,但是如果我们想得到一个更完整的画面,如果我们想知道感官输入是如何转化为运动输出的,我们需要同时观察整个大脑.

这正是罗伯特·普雷维德尔及其在维也纳分子病理学研究所和麻省理工学院的同事试图解决的. 然而他们设法解决了它, 还没有在人类的大脑上, 而不是在老鼠上, 而是在线虫C. elegans的同样的简单的神经系统上, 和在正在发展的被炸的斑马鱼的大脑上。

研究人员修改了蠕虫和鱼类,使其神经元合成了荧光蛋白:这种蛋白质在细胞内钙离子水平变化时发光. 众所周知,当激发并传播出电冲动时,离子在神经膜两侧再生-事实上,离子浓度的变化是神经冲动的基础. 你可以通过离子入出细胞的运动来监测神经元的工作,如果我们有一个特殊的发光蛋白对这种再分配离子敏感,那么你一般可以用自己的眼睛来监测神经细胞的工作,尽管有显微镜.

事实上,这种技术早已被用来研究神经冲动,但直到现在,它一直被用在少数神经细胞上. 这次科学家的任务是用发光的蛋白来同时监测整个神经系统的工作,使图像是三维的,神经系统的活动可以被高速记录. 这是使用一种特殊的显微镜方法完成的,它允许您每秒拍摄50张照片,然后被挂在三维图像上。 可见虫体内哪些神经元处于休眠状态,即蠕虫爬行时的神经元,又能感觉到某种嗅觉或触觉刺激. (爬行发光线虫的视频可在YouTube上观看.

在C. elegans线虫中,从头到尾的整个神经系统只有302个神经元. 斑马鱼的煎饼已经拥有了10万个神经细胞,科学家无法一次考虑所有神经细胞的活性,到目前为止,他们自己限制在只有五千个(与虫体内的三百个神经元相比,这仍然不坏).

研究者注意到他们开发的方法的弱点:它允许你看到整个神经细胞的某些平均活性,但是它不再允许你看到单个神经过程的活性,axon或dendrite. 然而,研究者希望他们能够改进技术并更详细地描述形象.

这部作品本质上是有条理的(并且发表在"自然方法"中),但是在这种方法的帮助下,人们有可能在神经网络的规模上,如果不是整个大脑,那么至少可以了解其中的一部分功能. 当然,我们可以说线虫和斑马鱼的神经系统比人类的神经系统要简单得多,但是,首先,这种方法可以应用于一些实验哺乳动物的大脑,第二,神经系统的一些规律可以在简单的蠕虫的水平上被调查. 我们再次指出这种方法的主要特征:我们实时记录整个神经系统(或至少相当大一部分神经元)的工作. 并且由于神经细胞的活性在这里可以不拖延地看到,所以我们可以更准确地想象神经系统中发生的信息过程.

然而,神经元数量与其活性之间的这种两难处境仍未被完全解决:要么我们看到很多神经元,但无法详细评估它们的工作,要么反之亦然——我们看到了冲动传播的所有细节,而只能存在于有限的神经细胞之间. 我们只能希望进一步的科学和技术进步。



资料来源:nkj.ru。