大脑如何产生节律性行为

我们的许多身体机能,如散步,呼吸和咀嚼,由大脑控制电路被称为中央振荡器,产生有节奏的发射模式,规范这些行为。

麻省理工学院神经学家已经发现了神经元身份和机制这些电路之一:一个振荡器控制着节奏来回扫触觉胡须,或搅拌,在老鼠身上。这是第一次,任何这样的振荡器已经完全在哺乳动物的特征。

麻省理工学院的研究小组发现,搅拌振荡器由人口的抑制性神经元的脑干火灾有节奏的爆发在搅拌。像每个神经元受到刺激时,也能抑制其他的神经元网络,从而使整个人口产生同步的节奏,收缩的胡须长职位。

“我们已经定义了一个哺乳动物振荡器分子、电生理、功能,从力学上看,“王粉丝说,麻省理工学院大脑与认知科学系教授和麻省理工学院麦戈文脑研究所的一员。“这是非常令人兴奋的看到一个清晰定义的电路和机制在哺乳动物节律是如何生成的。”

王是这项研究的资深作者,在今天自然。论文的主要作者是麻省理工学院的研究科学家6月Takatoh和文森特Prevosto。

有节奏的行为

大部分的研究,明确指出中央振荡器电路已经完成在无脊椎动物。例如,布兰代斯大学的实验室发现的伊夫·马德尔龙虾和螃蟹的胃肠神经节细胞产生振荡活动控制消化道的有节奏的运动。

描述振荡器在哺乳动物中,特别是在清醒动物的行为,已经被证明是非常具有挑战性的。振荡器控制行走被认为是分布在整个脊髓,很难精确地确定相关神经元和电路。振荡器产生有节奏的呼吸位于脑干的一部分称为pre-Botzinger复杂,但神经元振荡器的确切的身份并不完全了解。

“没有详细的研究在清醒动物的行为,一个可以记录从分子识别出振荡器细胞和操纵它们以一种精确的方式,”王说。

搅拌是一个杰出的有节奏的探索性行为在许多哺乳动物,用他们的触觉胡须检测对象和纹理感。在老鼠中,胡须扩展和收缩的频率大约12周期每秒。几年前,王的实验室出发试图识别细胞和控制这种振荡的机制。

找到搅拌振荡器的位置,研究人员追踪从须肌的运动神经元。使用修改后的狂犬病病毒感染的轴突,研究人员能够标签一群细胞突触前这些运动神经元在脑干的一部分被称为鼻毛中间网状核(vIRt)。这些发现与之前的研究一致表明,损害大脑的这一部分可以消除搅拌。

之后,研究人员发现,大约一半的vIRt神经元表达一种叫做小清蛋白的蛋白质,细胞的驱动器,这群胡须的有节奏的运动。这些神经元沉默时,搅拌活动取消。

接下来,研究者记录电活动从这些parvalbumin-expressing vIRt神经元在清醒小鼠脑干,技术上具有挑战性的任务,并发现这些神经元确实只有须收回期间的活动。因为这些神经元提供须抑制性突触输入运动神经元它遵循,有节奏的搅拌是由一个恒定的运动神经元伸长信号打断了有节奏的收缩信号从这些振子细胞。

“这是一个超级满足和回报的时刻,看到这些细胞确实是振荡器,因为他们火有节奏地,他们火在收缩阶段,抑制性神经元,”王说。

“新原则”

vIRt的振荡破裂模式细胞年初开始搅拌。当胡须不移动,这些神经元不断火。当研究人员阻止vIRt神经元相互抑制,节奏消失,而神经元振荡器简单地增加了他们的连续射击。

这种类型的网络,称为复发性抑制网络,不同类型的振荡器在胃肠中神经元的龙虾、神经元的内在生成自己的节奏。

“现在我们已经找到了一种哺乳动物网络振荡器是由抑制性神经元,”王说。

麻省理工学院的科学家们也与团队领导的理论家戴维•本-古里安大学Golomb以色列,和大卫·克莱菲尔德在圣地亚哥加州大学的。理论家们创建了一个详细的计算模型来说明如何控制搅拌,适合所有实验数据。有一篇描述该模型出现在即将出版的神经元。

王的实验室现在计划研究其他类型的振荡电路在老鼠身上,包括那些控制咀嚼和舔。

“我们非常兴奋地发现这些喂养行为和振荡器的比较和对比搅拌振荡器,因为他们都在脑干,我们想知道是否有一些共同的主题或如果有许多不同的方法来产生振荡,”她说。

这个故事是由麻省理工学院新闻(再版web.mit.edu/newsoffice/),一个受欢迎的网站,包括麻省理工学院新闻研究、创新和教学。