【課件】生命科學(xué)展示presentation

暨大腦GPS定位系統(tǒng)研究進展匯總2014諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎*********暨大腦GPS定位系統(tǒng)研究進展匯總2014諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎2014諾貝爾生理學(xué)獲得者研究簡介2023/10/6科學(xué)家JohnO'Keefe、May-BrittMoser、EdvardI.Mosel的研究成果解決了科學(xué)家長期以來的一大問題，即機體大腦如何繪制周圍環(huán)境的圖譜以及我們?nèi)绾卧趶?fù)雜的環(huán)境中進行導(dǎo)航。研究者May-BrittMoser和EdvardMoser教授2005年時在大腦的內(nèi)嗅皮層中發(fā)現(xiàn)了特殊的神經(jīng)細胞-網(wǎng)格細胞，當(dāng)大鼠通過特定位置時這些細胞就會被激活表達，同時網(wǎng)格細胞的位置就會形成一種六角網(wǎng)格，每個網(wǎng)格細胞都會在特定的空間位置上產(chǎn)生反應(yīng)，最后這些網(wǎng)格細胞就會形成一種可以實現(xiàn)空間導(dǎo)航的坐標系統(tǒng)。網(wǎng)格細胞可以和內(nèi)嗅皮層中的其它細胞識別動物頭部的方向以及房間的邊界，從而在大腦海馬體中形成空間細胞的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些細胞網(wǎng)絡(luò)回路就會形成一種復(fù)雜深入的定位系統(tǒng)，即大腦內(nèi)置GPS，人類大腦中的GPS系統(tǒng)和大鼠大腦中的GPS系統(tǒng)具有相似的組分。2014諾貝爾生理學(xué)獲得者研究簡介2023/10/6科學(xué)家JJohnO′Keefe和空間位置JohnO′Keefe曾著迷于研究大腦如何控制行為的問題。在上個世紀60年代后期，他決定用神經(jīng)生理學(xué)方法來解決這個問題。他嘗試通過儀器捕捉在某個房間里自由移動的大鼠其大腦海馬體中的個別神經(jīng)細胞發(fā)出的信號，他注意到當(dāng)大鼠處在某一特殊位置時，有一種神經(jīng)細胞會變得活躍。他通過實驗發(fā)現(xiàn)這種“位置細胞”并不只是從視覺上記住，而且會構(gòu)造出一幅所處環(huán)境的內(nèi)在地圖。O′Keefe得出結(jié)論認為：在處于不同環(huán)境中被激活的這些位置細胞的共同作用下，海馬體可以構(gòu)造出很多地圖。因此，大腦對環(huán)境的記憶通過位置細胞活動的特定組合的方式儲存在海馬體中。如很多諾貝爾獎得主一樣，奧基夫在1970年代提出有關(guān)“位置細胞”的理論時，遭到學(xué)界不少人冷嘲熱諷，但現(xiàn)在終于獲得肯定。奧基夫在倫敦向記者表示，對獲獎感到驚訝和難以置信，又形容自己年少時興趣多變，中學(xué)時鉆研古典學(xué)，到大學(xué)卻入讀航空學(xué)科，之后又改修哲學(xué)和心理學(xué)。牛津大學(xué)生理學(xué)名譽退休教授斯坦為奧基夫獲獎感到高興，認為是實至名歸?！坝浀眉s翰最初描繪‘位置細胞’時，遭到多么冷漠的嘲笑。當(dāng)時學(xué)界典型反應(yīng)是‘注定是人為現(xiàn)象’和‘他顯然低估老鼠的嗅覺’。現(xiàn)在人們都認為他的發(fā)現(xiàn)已像常識般，是明顯不過的事?！盝ohnO′Keefe和空間位置JohnOMay-Britt和EdvardMoser在繪制大鼠腦海馬區(qū)的連接時，在鄰近的內(nèi)嗅皮層區(qū)域發(fā)現(xiàn)了驚人的活動模式。在這個區(qū)域，當(dāng)大鼠穿過六邊形網(wǎng)格里的多個地點時，特定的細胞被激活（圖2）。每個這樣的細胞被特定的空間模式激活，這樣的“網(wǎng)格細胞”構(gòu)成了一個協(xié)調(diào)系統(tǒng)，促發(fā)空間運動。加上內(nèi)嗅皮層區(qū)域其他能夠識別頭部方向和房間邊界的細胞一起，它們在海馬區(qū)形成了回路。這一回路在大腦中構(gòu)成了一個廣泛的定位系統(tǒng)，一個內(nèi)部的GPS。

May-Britt和EdvardMoser發(fā)現(xiàn)了協(xié)調(diào)機制May-Britt和EdvardMoser在繪制大鼠腦海馬【1】Neuron：大腦靠視覺和身體兩幅“地圖”定位2023/10/6據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)12月5日報道，美國加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）研究人員利用核磁共振成像（MRI）技術(shù)研究了18個人的大腦，繪制了400個不同的手臂動作到達目標時的MRI圖像。他們發(fā)現(xiàn)，大腦在計劃動作時，有兩種明顯不同的定位類型：視覺地圖和身體地圖。研究發(fā)表在《神經(jīng)》雜志上。比如芭蕾舞演員在雙人舞中抓住同伴的手或在黑夜里撫摸受傷的小腿時，要想讓手臂到達正確的位置，其大腦要使用不同的“地圖”來定位。最新研究表明，抓住對方的手，要依靠空間視覺地圖，而撫摸小腿，則依靠頭腦中的身體地圖。之前的觀點認為，所有的定位運動，包括導(dǎo)向視覺目標的或?qū)蜃陨淼?，都是用視覺地圖來計劃。論文第一作者皮埃爾-邁克爾·波尼說：“我們發(fā)現(xiàn)，如果目標是視覺的，后頂葉皮層就會被激活，用視覺地圖來編碼運動；而在黑暗中完成一個動作，目標是非視覺的，就會由同樣的大腦區(qū)域使用完全不同的身體地圖來計劃這一動作?！薄?】Neuron：大腦靠視覺和身體兩幅“地圖”定位20【2】Nature：發(fā)現(xiàn)大腦“GPS”系統(tǒng)工作原理2023/10/6就好比全球定位系統(tǒng)（GPS）可以幫助我們定位我們深處何處一樣，大腦也存在一種內(nèi)在的系統(tǒng)來幫助確定我們機體所處的位置及周圍環(huán)境，近日，一項刊登在雜志Nature上的研究報告中，來自普林斯頓大學(xué)的研究者揭示，一種名為網(wǎng)格細胞的位置追蹤神經(jīng)元可以通過集體協(xié)作來對機體進行定位。網(wǎng)格細胞是一種具有電活性的神經(jīng)元，其就好比是一個動物在大自然中隨意旅行一樣，其在2000年代中期被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機體移動到特殊位置時，每一個細胞就會被激發(fā)。更讓人覺得神奇的是，這些網(wǎng)格細胞的位置都是以一種六角形模式被安排的，就類似于跳棋盤一樣。研究者DavidTank說，網(wǎng)格細胞可以形成某種空間表征，我們的研究主要關(guān)注于形成這種六角形模式的神經(jīng)系統(tǒng)工作的分子機制。此前研究中，研究者讓小鼠從電腦模擬產(chǎn)生的一種虛擬環(huán)境中穿過，隋鷗測定小鼠大腦單個網(wǎng)格細胞內(nèi)部的電信號。當(dāng)小鼠看到虛擬系統(tǒng)中的視頻游戲時，其就會移動到有小鼠尺寸大小的踏板上?！?】Nature：發(fā)現(xiàn)大腦“GPS”系統(tǒng)工作原理2【3】Science：鴿子腦中具有GPS定位功能神經(jīng)元磁場編碼2023/10/6鴿子可以從幾百公里之外，甚至在一、二千公里遠的地方，仍能飛回家去，其奧秘何在呢？它的答案是鴿子腦部神經(jīng)元為地球磁場編碼，讓鴿子擁有可靠的內(nèi)置GPS，鴿子腦部的這個定位系統(tǒng)，讓它們可以感知地球磁場的變化，并在長途距離中辨別方向。科學(xué)家早就知道，許多動物（從鳥類到狐貍甚至可能包括人類）身上存在著磁場接收器。在以前的長期研究中，專家們一直對鴿子認路的本領(lǐng)爭論不休，一方認為鴿子是靠其體內(nèi)的磁性物質(zhì)來辨認方向，就像人使用微型指南針一樣；另一方則認為，鴿子將空氣中的不同氣味作為指示牌來辨認回家的路線，當(dāng)然，視覺信號的作用也不能排除；還有一種理論認為，鴿子是靠太陽的位置來識別方向的。這些以前的研究基本上確定了磁場接收器存在于鳥類喙部和脊椎動物其他部位的事實?！?】Science：鴿子腦中具有GPS定位功能神經(jīng)元磁場【4】深度解讀：2014諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎2023/10/6飛鴿傳書，老馬識途。當(dāng)還處在原始時代的時候，人類就已經(jīng)意識到，很多動物都具有出類拔萃的導(dǎo)向能力，縱使萬水千山，無論陰晴雨雪，這些神奇的動物總能知道路在何方。人類當(dāng)中也不乏這樣的認路高手，他們的腦海中似乎嵌入了一張高分辨率地圖，怎樣都不會迷失方向。作為一個出門不帶GPS簡直不能活的路癡，我總是非常羨慕這樣的人和動物，難不成他們的大腦當(dāng)中還內(nèi)置了一個活體GPS？剛剛揭曉的2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，恰恰向我們解答了這個問題。如何才能不迷路呢？首先，我們必須知道自己要去的是個怎樣的地方。譬如說，我要去北京故宮，我首先得知道那是一個有著紅色宮墻和金色琉璃瓦的巨大宮殿。抽象一些說，我們要通過一系列特征來確定某一個位置。在我們的大腦中，正存在著這樣一種專門負責(zé)記住位置特征的神經(jīng)元。本屆諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎其中一位得主，倫敦大學(xué)學(xué)院（UniversityCollegeLondon）的約翰？奧基夫（JohnO’Keefe），早在1971年就和同事在大鼠大腦中一個叫做海馬（hippocampus）的腦區(qū)里就發(fā)現(xiàn)了這樣一種神經(jīng)元，他們將其命名為“位置細胞”（placecell）【4】深度解讀：2014諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎2023/【5】科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)人類認路細胞系網(wǎng)格細胞網(wǎng)絡(luò)2023/10/6我們都有迷路的經(jīng)驗。幸運的是，動物大腦中幫助認路的特殊細胞如今首次在人類身上得以發(fā)現(xiàn)。這個發(fā)現(xiàn)或許可讓認路有困難的人得到更好治療。我們知道，動物使用3種類型的細胞來認路。動物面臨一個特定方向時，方向細胞會得到激發(fā)。動物處于一個特定地點時，它的位置細胞會激發(fā)。而隨著它四處活動，網(wǎng)格細胞會定期激發(fā)?？茖W(xué)家已經(jīng)在人類身上發(fā)現(xiàn)了方向和位置細胞，但是網(wǎng)格細胞的存在跡象只是在一些大腦掃描過程中才顯露出來。為了探尋人類大腦中是否確實存在這些細胞，美國德雷克塞爾大學(xué)的約書亞·雅各布斯和同事對14名志愿者進行了測試。這些志愿者都為治療癲癇而在大腦中植入了電極。研究人員讓志愿者玩一個電腦游戲，從而記錄他們大腦中一系列單細胞的活動情況。在該電腦游戲中，志愿者駕車行駛在開闊空間中，他們要搜尋一些物體，并記住他們找到物體的地點。然后，他們必須盡快再次確定這些物體的位置，不過這次，除非志愿者到達正確的目的地，否則他們就無法看到這些物體。【5】科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)人類認路細胞系網(wǎng)格細胞網(wǎng)絡(luò)2023/1【6】NatNeurosci：人腦中也存在網(wǎng)格細胞2023/10/6據(jù)《自然—神經(jīng)科學(xué)》上的一項研究稱，在探尋虛擬環(huán)境時，人腦會呈現(xiàn)網(wǎng)格狀活動。這表明，我們身體內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)即便在身體未發(fā)生物理空間意義上的移動時仍是活躍的。先前研究認為，動物對空間的感知源于被稱為空間細胞和網(wǎng)格細胞的兩類神經(jīng)細胞的作用，當(dāng)動物進入到環(huán)境中的特定區(qū)域時，空間細胞便會活躍起來，而網(wǎng)格細胞負責(zé)展示這種細胞活動的空間模式，類似于地圖上的網(wǎng)格。雖然空間細胞已被發(fā)現(xiàn)存在于人腦中，但網(wǎng)格細胞之前只在嚙齒動物、蝙蝠和猴子中被發(fā)現(xiàn)。JoshuaJacobs等人報告了人腦中的網(wǎng)格狀活動，為網(wǎng)格細胞的存在提供最直接的證據(jù)，這也表明人類的導(dǎo)航協(xié)作系統(tǒng)同其他哺乳動物的類似。研究人員將電極通過顱內(nèi)移植入正在接受治療的抗藥性癲癇患者的腦中，并記錄下神經(jīng)細胞的活動情況。他們讓患者用操縱桿找到電腦虛擬環(huán)境中的物體，然后通過記錄找尋患者大腦內(nèi)的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)?！?】NatNeurosci：人腦中也存在網(wǎng)格細胞2023【7】Nature：神經(jīng)細胞以三角形網(wǎng)格方式記憶2023/10/6通常地圖都使用互成直角的經(jīng)線和緯線來幫助定位，而英國一項最新研究顯示，人類大腦中的“導(dǎo)航系統(tǒng)”使用的卻是由正三角形組成的網(wǎng)格。英國倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員在《自然》雜志上報告說，他們首次確認人類大腦中存在這種利用正三角形網(wǎng)格來幫助定位的“網(wǎng)格細胞”。過去曾有研究發(fā)現(xiàn)實驗鼠大腦中存在這種細胞。研究人員因此設(shè)計了一套虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，請受試者戴上專用設(shè)備，“游覽”虛擬的山谷草地等景色，同時利用功能磁共振成像技術(shù)測量受試者大腦相應(yīng)區(qū)域的活動情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人類大腦中相應(yīng)細胞的活動同樣呈現(xiàn)出明顯的正三角形網(wǎng)格模式，并且受試者的空間記憶能力越強，這種模式就越明顯。參與研究的卡斯韋爾·巴里說，這些網(wǎng)格細胞為大腦提供了空間認知地圖，它們使用了與通常地圖中經(jīng)線和緯線非常相似的方式，所不同的是采用了三角形網(wǎng)格而不是方形網(wǎng)格。網(wǎng)格細胞是大腦中最容易遭受早老性癡呆癥等疾病影響的細胞之一，這也可以幫助解釋為什么這些疾病的常見癥狀就是記不住路。【7】Nature：神經(jīng)細胞以三角形網(wǎng)格方式記憶2023/1【8】大腦重編程后真的可以高效工作2023/10/6來自西澳大學(xué)的研究人員通過研究揭示，電磁刺激或可改變大腦的組織結(jié)構(gòu)，使得大腦更加有效地“工作”，相關(guān)研究成果刊登于國際雜志theJournalofNeuroscience上。研究者表示，對小鼠進行較弱的連續(xù)電磁脈沖，即重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(RepetitiveTranscranialMagneticStimulation，rTMS)可以將小鼠大腦中的異常神經(jīng)連接替換為正常的連接，使其大腦可以更加高效的運行，這項研究對于治療一系列的神經(jīng)系統(tǒng)障礙比如抑郁癥、癲癇癥和耳鳴等。為了更好地揭示電磁刺激對大腦的作用機制，研究人員對出生后大腦結(jié)構(gòu)異常的小鼠進行了低強度的rTMS刺激檢測，研究人員KalinaMakowiecki表示，甚至在低強度下，脈沖電磁刺激也可以減少大腦的異常神經(jīng)連接，并且將其替換成大腦中正常的定位連接?！?】大腦重編程后真的可以高效工作2023/10/6【9】思考的大腦中第一批

神經(jīng)元細胞被成功鑒別出

2023/10/6美國耶魯醫(yī)學(xué)院和牛津大學(xué)的研究人員們最近成功鑒別出大腦皮層中最初形成的第一批神經(jīng)元細胞。正是有了大腦皮層的活動，人的活動才富有人性化。研究論文發(fā)表于最近一期《自然神經(jīng)科學(xué)》期刊雜志上。研究結(jié)果表明，大腦中的第一批神經(jīng)元細胞，研究人員們把它們叫做“老前輩”，在授精完成31日后就已經(jīng)形成了。這一過程比以前的研究預(yù)想都要早得多，形成這一神經(jīng)元后相當(dāng)長時間后，胚胎才開始發(fā)育，長出手、腿或眼睛等組織。研究人員們在他們的論文中寫到，“這些神經(jīng)元細胞的概念在這里是首次提出來的，它們的形成要比其他可知的促進大腦皮層發(fā)育的細胞都要早。這些早熟的‘老前輩們’在大腦皮層的發(fā)育成型進程中一直起著舉足輕重的作用。”眾所周知，大腦皮層主要負責(zé)人的認知性行為，在感知、記憶、思考、語言、精神能力、智商和意識方面都起著至關(guān)重要的作用。它由200億個神經(jīng)元細胞構(gòu)成，占整個大腦重量的40%之多?！?】思考的大腦中第一批

神經(jīng)元細胞被成功鑒別出

2023/【10】JCB：發(fā)現(xiàn)可加速癌癥及神經(jīng)性障礙疾病治療的細胞導(dǎo)航系統(tǒng)2023/10/6刊登在國際雜志JournalofCellBiology上的一篇研究論文中，來自杜克大學(xué)的研究人員通