Science | 研究揭示神经元在不同行为状态下的电压变化

文摘   2024-11-06 23:38   美国  

想象一下,当你在安静地思考时,脑中的某些神经元保持活跃,而当你突然听到声音或转身运动时,又有不同的神经元开始活动。这些神经元如何协调和互动?它们的电信号如何变化?


我们的大脑时刻在运行着复杂的信息处理,其中不同类型的神经元像交响乐团一样密切配合。特别是在我们从安静到激动、从放松到专注的状态转换过程中,兴奋性和抑制性神经元各自发挥独特的作用,但它们的相互协调方式却鲜为人知。为了探究这些微妙的神经元“对话”,科学家需要实时跟踪它们的电信号变化,就像捕捉快速闪烁的微小灯光。

来自耶鲁大学、斯坦福大学和明尼苏达大学的研究团队在 Science 期刊发表了一篇题为《多种神经元类型同步动态的双极性电压成像研究》的研究论文。这项研究提出了一种基于基因编码荧光电压指示器的新方法,能够实时追踪不同神经元类型在小鼠清醒状态下的电压动态,揭示了神经元在行为状态变化时的互动。


传统的成像技术难以同时区分多个神经元的电活动。这项研究采用了一种创新的“双颜色成像”技术,不仅能够实时记录不同神经元的电压变化,还能精确区分它们的类型。具体来说,研究团队采用基因编码荧光电压指示器 (GEVI),分别引入到不同类型的神经元中,实现实时多细胞电压动态的观测。研究团队通过双极性和双颜色成像技术,结合了绿色和红色的荧光蛋白来分别标记不同的神经元类型,从而同时记录多种神经元的电压活动。




状态变化引发的神经元动态




在小鼠视觉皮层的实验中,研究团队通过对不同类型的抑制性神经元进行双极性成像,分析了它们在状态变化时的电压反应。实验表明,当小鼠从安静状态过渡到激动状态时,SST+ 神经元表现出显著的自发放电增加。在78%的SST神经元中,放电频率从2.5 ± 0.4 Hz显著上升至22.5 ± 1.2 Hz,而仅13%的SST神经元在这一状态下放电频率有所减少。此外,VIP+ 神经元在状态转换后同样表现出活跃的反应,但在活跃和受抑制神经元比例上有显著差异:大约53%的VIP+神经元增加了放电频率,39%的神经元表现出抑制反应。该现象显示了在不同觉醒状态下,SST+ 和VIP+ 神经元的协同互动。




海马神经元对局部场电位的区别




在海马体CA1区,实验使用双极性成像观察了不同神经元类型对局部场电位(LFP)的贡献。具体来说,表达SST的抑制性神经元和投射至内嗅皮层(EC)的兴奋性神经元展现了不同的相位反应,SST神经元以较高的基线放电频率对LFP表现出强烈的相位锁定,平均相位角为13.8° ± 2.6°,而EC投射神经元则显示相位角为-1.3° ± 4.8°。研究还发现,SST神经元的放电频率显著高于EC投射神经元,这种差异表明,不同神经元类型在theta节律中的参与度不同,为进一步理解海马体内神经元类型的功能分化提供了新证据。




多细胞同步成像揭示的互抑关系




通过同时记录小鼠视觉皮层内SST+、VIP+及皮层投射神经元的电压变化,研究展示了不同神经元在激动状态中如何协同工作。在小鼠受到空气刺激后,VIP+和SST+神经元的放电模式表现出显著的负相关,尤其是在刺激的最初几秒钟内。VIP+神经元的放电频率在刺激期间显著上升,而SST+神经元则显现抑制反应,这种现象表明两者之间存在互相抑制的作用。该结果进一步验证了双极性成像技术能够在行为状态转换时揭示不同神经元类型的实时动态。




多荧光指标的三种神经元成像




为了突破传统成像方法的局限,研究团队采用三种不同的荧光指标,同时观察小鼠视觉皮层中VIP+、SST+和兴奋性神经元的电压活动。这种组合使得研究团队能够在单一视野中获得三种神经元的电信号,从而准确分析它们在状态转换中的活动模式。实验数据显示,VIP+神经元和SST+神经元在小鼠觉醒状态时表现出相互抑制的关系,而皮层投射神经元则表现出一致的兴奋反应。这些结果表明,新的成像技术能够精确分辨不同神经元类型之间的活动,并提供了更清晰的神经元间相互作用图景。



总结




这项研究展示了一种高效的多细胞电压成像方法,可以在小鼠行为状态转变时观测不同神经元类型的实时电压动态。研究结果为理解皮层神经元在行为状态下的协同活动提供了新见解,并为未来神经科学研究中多细胞、多类型成像的应用奠定了基础。

论文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8797

撰文|Coral
责编|Asher
转载、交流、合作

联系我们

NeuroWorld

神经世界
聚焦神经科学领域前沿,报道脑科学与人工智能领域的最新动态。
 最新文章