【重磅】2016年Cell杂志重磅级脑科学研究成果|年终盘点

神经科技2017-11-27 10:06:08



导读:我们总是感慨时光过得很快,这不,12月份马上就要结束了,2016年也即将接近尾声,迎接我们的将是崭新的2017年。2016年三大国际著名杂志Cell、Nature和Science(CNS)依然刊登了很多重磅级脑科学研究,本文小编首先盘点了2016年Cell杂志发表的一些非常有意义的重磅级脑科学研究,与各位一起学习!



【1】Cell:挑战常规!大脑主动地摄取血糖

doi:10.1016/j.cell.2016.07.028


在一项新的研究中,来自德国慕尼黑理工大学等机构的研究人员发现我们的大脑主动地从血液中获取葡萄糖。至此之前,全世界各地的科学家们认为这完全是一种被动过程。在这项新的研究中,他们报道将血液中的葡萄糖(即血糖)转运到大脑内受到所谓的对胰岛素或瘦蛋白(leptin)等激素作出反应的神经胶质细胞的调节,而在此之前,人们认为这种情形只可能是针对神经元的。相关研究结果发表在2016年8月11日那期Cell期刊上,论文标题为“Astrocytic Insulin Signaling Couples Brain Glucose Uptake with Nutrient Availability”。


肥胖发病率的不断增加和与肥胖相关联的2型糖尿病扩散代表着我们社会所面临的重大挑战。目前还没有既安全而又有效的药物来预防或阻止这种疾病的发展。不能开发出足够好的疗法被认为主要是源自一个事实:控制全身代谢的分子机制仍然在很大程度上是未知的。




【2】Cell:牛!单个基因就可帮助抵御神经变性疾病的发生

doi:10.1016/j.cell.2016.07.001


最近,一项发表于国际杂志Cell上的研究报告中,来自格拉斯格大学的研究人员通过研究揭示了细胞如何保护自身免于“蛋白聚集团块”的产生,而这些蛋白团块是引发包括阿尔兹海默氏症、帕金森疾病及亨廷顿氏症等在内的神经变性疾病的根源;本文研究中研究者揭示了基因UBQLN2的特殊角色,以及该基因如何帮助机体移除毒性蛋白聚集物而免于神经变性疾病的发生。


文章中,利用生物化学、细胞生物学及复杂的小鼠模型进行研究,研究人员发现,基因UBQLN2的主要功能就是帮助细胞清除危险性的蛋白聚集物,该基因首先可以缠结蛋白聚集物,随后通过打碎这些聚集物来抑制后期蛋白的聚集。蛋白质团块的形成是机体自然老化过程的一部分,但其正常情况下的缠结和处理过程都是通过基因UBQLN2来完成的;然而当该基因突变或者发生故障时,其就不再帮助细胞清除这些毒性的蛋白质聚集物了,从而就会引发神经变性疾病的发生。



【3】Cell:为何太晚睡觉总会让人感觉睡睡睡不够?

doi:10.1016/j.cell.2016.04.013


最近美国约翰斯霍普金斯大学的研究人员在果蝇中发现一种与睡眠冲动有关的脑细胞,或可解释拖延睡眠时间导致慢性嗜睡的原因。虽然果蝇与人类在外表上存在非常大的差别,但是仍然与人类共有许多相同基因甚至行为,因此这项研究或为解决人类睡眠障碍提供新的见解。相关研究结果发表在国际学术期刊Cell上。


在这项研究中,为了找到调节睡眠的细胞,研究人员利用基因工程技术在超过500个果蝇品系中激活了小部分神经元,随后检测果蝇的睡眠情况。其中一些品系的果蝇会持续睡眠几个小时,甚至在关闭神经元细胞之后仍然保持嗜睡状态,这表明他们找到了触发睡眠冲动的细胞。


随后研究人员借助荧光显微镜对果蝇大脑中诱导睡眠冲动的细胞进行了鉴别和定位。结果发现了这种叫做R2神经元的细胞,存在于一种椭球体结构中。


【4】Cell:记忆也是可以遗传的

doi:10.1016/j.cell.2016.02.057


科学家们最近发现,我们的生活经历也许可以遗传给子代或孙代,而且这种遗传功能能够开启或关闭。


表观遗传学是研究基因表达的遗传变化的学科。虽然一些变异能够遗传,但并不是由于DNA本身的变化导致的。例如,我们的生活经验是不由DNA编码控制的,但这些信息也能够通过遗传的方式传递给我们的孩子。最近一项研究发现,个体受过外伤之后,会导致后代出现某些相关的效应。


这一现象不禁引发了一个问题,那就是这种“记忆”是如何遗传的?


来自Tel Aviv大学的研究者们希望搞清楚这一问题,他们发现能够通过外界干预的方式“启动”或“关闭”环境影响的代际遗传。


相关结果发表在《cell》杂志上,主要作者是来自Tel Aviv大学生命学院与Sagol神经科学院的Oded Rechavi等人。


【5】Cell:挑战常规!睡眠抑制大脑自我再平衡!

doi:10.1016/j.cell.2016.01.046


人类和其他动物为何睡眠是生理学剩下的深层奥秘之一。神经科学的主导理论是睡眠是大脑“下线”时回放记忆以便更好地编码它们(“记忆巩固”)。


另一种主导的竞争性理论就是睡眠在大脑网络的再平衡(re-balancing)中发挥着重要作用,而在清醒(waking,也译作醒着,或者唤醒)时的学习期间,大脑网络受到扰乱。大脑活动的这种“再平衡”涉及稳态可塑性(homeostatic plasticity)机制。这些机制是由美国布兰迪斯大学首次发现的,而且包括布兰迪斯大学生物学教授Gina Turrigiano实验室在内的布兰迪斯大学多家实验室深入地研究了这些机制。


如今,在一项新的研究中,Gina Turrigiano实验室证实这些稳态可塑性机制确实是由睡眠和清醒所控制的,但是与之前的理论完全相反:大脑的自我再平衡(homeostatic rebalancing)仅当动物清醒时才发生,而在睡眠时受到抑制。相关研究结果于2016年3月17日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Neuronal Firing Rate Homeostasis Is Inhibited by Sleep and Promoted by Wake”。


这些发现提出一种更有意思的可能性:不同类型的大脑可塑性---比如,参与记忆巩固的大脑可塑性和参与自我再平衡的大脑可塑性---必需暂时地彼此隔离开来以便防止干扰。


生物计算研究很早就提出神经元必需精心地维持一种平均的兴奋率(firing rate,也译作触发率),非常类似于房间中的自动调温器检测和维持温度。如果没有对兴奋率的自我平衡控制,那么神经网络模型就不能学着进入类似癫痫的完全发作或完全静止的状态。


发现和描述候选机制的大多数研究持续在布兰迪斯大学开展。2013年,Gina Turrigiano实验室提出首个体内证据证实稳态兴奋率存在于在哺乳动物大脑中,并且记录了自由活动的新生大鼠的视觉皮质(visual cortex)中单个神经元的活动,记录时间为期9天,每天8小时都在记录,而且在此期间,它的一只眼视力被挡住。


神经元活动起初下降,但是几天之后,尽管视力被遮挡,但是神经元兴奋率返回到基准水平。事实上,这些实验已证实了人们长期以来的猜测---完整大脑中的神经元活动确实受到稳态调控。


由于有极难得的机会研究自由活动的动物的大脑可塑性基本机制,Gina Turrigiano实验室一直在研究动物行为和稳态可塑性之间存在交集的可能性。为了真正地评价生物钟和行为对神经元自我平衡的可能影响,必需对这整整9天的实验进行拍摄,而不是评价每天的快照照片。


对这项新的研究而言,Gina Turrigiano实验室不得不开发创新性的计算方法记录数兆兆字节(terabyte)的数据,这是在200多小时内不间断地追踪单个神经元的活动所必需的。


基本上,这些数据揭示出视觉皮质中神经元活动的稳态调节受到睡眠和清醒状态的控制。令人吃惊和意料之外的是,神经元活动的自我再平衡几乎只在活动期间发生,而睡眠期间受到抑制。之前的预测要么认为行为状态没有发挥作用,要么认为睡眠导致自我再平衡。


最后,Gina Turrigiano实验室在自我再平衡期间人工提高自然清醒时间从而为活跃清醒在其中的因果作用提供证据。当让动物保持清醒时,稳态可塑性得到进一步增强。




【6】清华大学罗敏敏课题组Cell:发现调控恐惧记忆的新神经环路




罗敏敏实验室发现内侧缰核胆碱能神经元GABAB受体通过突触前兴奋作用调控动物恐惧记忆


罗敏敏实验室于7月14日在《Cell》杂志上在线发表题为“Presynaptic Excitation via GABAB Receptors in Habenula Cholinergic Neurons Regulates Fear Memory Expression”的文章。主要揭示了大脑内侧缰核胆碱能神经细胞对动物恐惧记忆的正常表达和消退具有重要作用,第一次报导了传统认为只能引起抑制反应的GABAB受体能够产生兴奋作用。

 


动物的生存依赖于将预警信号和危险联系起来,对预警信号形成恐惧记忆,以便提前做出反应。当预警信号不再与危险相关时,动物逐渐解除这种联系,逐渐消退恐惧记忆,以适应新的生存环境。恐惧记忆消退缺陷被认为和人类创伤后应激障碍(PTSD)等精神障碍有紧密关系。目前关于动物恐惧记忆的研究主要集中在杏仁核及其相关脑区。本研究发现,大脑内侧缰核—脚间核神经通路参与动物恐惧记忆的调控。抑制内侧缰核胆碱能神经细胞上的GABAB受体或直接损毁这些神经细胞导致动物产生过度的恐惧反应,阻碍恐惧记忆的消退;而激活这些GABAB受体或胆碱能神经元可以减弱动物恐惧反应,促进恐惧记忆的消退。


γ-氨基丁酸(GABA)是神经系统中最主要的抑制性神经递质,GABAB受体是GABA唯一的代谢型受体。过去的研究认为GABAB受体只能产生抑制性反应。然而,本研究首次发现大脑内侧缰核胆碱能神经细胞伸向脚间核的轴突终末上的GABAB受体是兴奋性的。激活这些受体引起强烈的突触前兴奋作用,促进谷氨酸、乙酰胆碱、神经激肽B等多种神经递质的释放。此外,本研究进一步发现这些GABAB受体的兴奋作用是通过促进钙离子从细胞外经由R-型电压门控钙离子通道进入细胞引起的。在此线索提示下,该研究发现通过药物,包括一个PDE2A抑制剂,激活这一神经通路可以有效降低恐惧反应并促进恐惧记忆的消退。


这项研究发现了一条新的调控恐惧记忆的神经环路,为治疗过度恐惧和创伤后应激障碍等相关的恐惧障碍提供了治疗思路。这项研究同时开创性地发现了GABAB受体的兴奋作用,极大拓展了神经科学领域对GABA及GABAB受体相关信号通路的认知。


北京生命科学研究所与清华大学联合培养博士生张举恩为本文第一作者,谭禄彬为共同第一作者。本文其它作者包括罗敏敏实验室的任育齐、梁婧文、林睿、冯琦茹、周景峰、胡飞、任婧、韦超、于涛;北京生命科学研究所转基因动物中心庄英华、王凤超;瑞士巴塞尔大学Bernhard Bettler。北京生命科学研究所罗敏敏博士为本文通讯作者。该研究由科技部973、国家自然科学基金委、及北京市政府资助,在北京生命科学研究所完成。



【7】Cell:大脑迷走神经如何控制饮食,传递“饱腹感”?

神经系统操控人的感知、认知、运动、呼吸、消化等多种功能,至关重要且不可或缺,由中枢神经系统和周围神经系统两大部分组成。其中,脑神经作为周围神经系统三大组成之一(其余两个分别是脊神经和植物神经),共有12对,主要支配头面部器官的感觉和运动。


而迷走神经(vagus nerve)作为脑神经中最长、分布最广的一对神经,负责身体和大脑信号的联络。每日三餐后,迷走神经负责感应、传递“吃饱”的信号,调控食物消化和营养吸收。此外,它还参与呼吸、心率和运动等过程。


然而,迷走神经如何接受信号、行使上述功功能一直未知。操控“饱腹”的信号通路有几条?迷走神经怎么区分蛋白质、碳水化合物或者脂肪?它又是如何传递信号刺激消化酶的分泌?


带着这些疑惑,哈佛医学院细胞生物学副教授Stephen Liberles 带领团队以老鼠为模型,对迷走神经进行了遗传学剖析,发现分布于胃肠道的迷走神经具有两种不同类型的感应神经元,分别控制营养吸收、食物摄取。


其中,GPR65神经元负责监管营养物质的摄取,而GLP1R神经元负责感受肠胃张力、传递饱腹信号。相关研究成果于5月26日发表在《Cell》期刊。


这两类感应神经元细胞行使着不同的功能:


大脑如何感应“饱腹”?首先,胰高血糖素样肽-1(GLP-1)受体(GLP1R)神经元负责感受肠胃张力,随后将神经刺激由受体传递至中枢神经系统。我们知道,GLP-1由肠道分泌负责营养物质的吸收,有着减少肠蠕动、控制摄食减轻体重的功能,是目前2型糖尿病药物作用的主要靶点。


所以,按理GLP1R神经元应该控制营养物质吸收,但是实验结果却意外的显示,这类神经元对肠胃张力感受器敏感,负责传递“吃饱”信号。而且,这些感应神经元分布于胃部肌壁,而不是肠道的内表面。


而GPR65神经元会分泌感受激素的受体,进而调控肠道对营养物质的吸收。感应神经元会识别穿过小肠到达肠道绒毛的营养物质。但是,神经细胞如何区别大分子呢?研究证实,GPR65神经元通过响应食物释放的各种化学信号,从而获取区分糖类、脂肪、蛋白质以及酸碱平衡的线索。


最终,这两类感应神经元将信号由受体传递至中枢神经系统。相应得,研究人员在脑干核心区域发现了两类不同的神经元细胞。神奇的是,这两类神经细胞紧邻排列,且无重叠,这意味着接受身体信号的中枢系统也存在两条通路。


研究人员表示,这些不同分布行使不同功能的神经元细胞有望成为控制食物摄取的药物靶向目标。此外,它对于胃肠道疾病、2型糖尿病治疗也有一定参考意义。


以上研究仅是小编整理的一些重大突破性脑科学研究,当然2016年还有很多很多值得我们去认真学习和钻研的亮点研究,相信在即将到来的2017年Cell杂志上将会刊登出更多创新性的突破研究,让我们拭目以待。


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来源:神经科技

编辑:格格




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