2015诺贝尔奖报告大脑位置细胞的发现讲解课件

WhereamI HowcanIfindmydirection JohnO Keefe DiscoveredtheBrain sPositioningSystem发现构成大脑定位系统的细胞 1971年 他发现当一只老鼠在一个房间里的某个位置 某些细胞会被激活 当大鼠移到另一个位置 其他的细胞就被激活 Thatistosay thecellsformakindofinternalmapoftheroom 位置细胞的发现theplacecell 起初 通过一系列动物行为学实验的研究 发现存在两类细胞 分类标准为spikeamplitudeandwidthandbaselinefiringrates 微型波代表进行了从前的空间学习的重放并且可能涉及近期记忆痕迹的巩固 有较高的静息放电率 表现出明显的相位锁定的进行的LFP 波振荡第一次涉足海马 hippocampus Movement changethelocationthelowfiring ratepyramidalcell 低放电率锥体细胞 通过拆除小鼠的四周平台等方式验证一个假想 Tolman scognitivemap但在1960s并没有得到足够重视 themovementrelatedhippocampalcellstheLFPthetaactivity替代细胞 displacecells Movement relatedcells位置细胞 placecells 他的theta细胞和我们的替代神经元以及他的方法完善错配细胞可能同样是位置细胞 因为他们一致同意 动物接近一个特定的轨迹 即在奖励位置 通过相同的地方 TheHippocampusasaCognitiveMap海马是一个认知地图发现了两种定位细胞1 displacecells这种细胞在动物到一个熟悉的地方找到新目标物或者没能找到期待中的目标物时起很大的作用2 misplacecells又被称为 细胞 因为这种细胞与正在进行的LFP 有密切关系 作者在讨论中推测了定位细胞的两种激活方式 1 在特定位置刺激动物所产生的环境感官输入直接激活定位细胞2 通过一个对海马本身的内部路径整合机制 此机制使用动物行为的抽象量 如它的方向和从先前已知位置开始的运动距离来更新表现 近来该实验室的研究表明 在虚拟现实环境中 25 的定位细胞主要是由视觉输入的支配 而剩下的大部分细胞接收重要路径整合的输入 认知地图 认知地图理论准确的预言了发育中其他类型空间信息的存在 比如 预言了能够将空间位置信息连接成地图结构的代表距离和方向的细胞的存在 1980年Ranck Taube Muller和同事们在前海马支脚中发现细胞发出信号引导动物的前进方向 Mosers和他的同事也在2005年发现在嗅皮层的网格细胞中也可能存在着能够指示某个特定方向上移动距离的信号 通过一台迷你电脑和一个头戴式的跟踪录像系统记录在八臂迷宫中的单元活动 第一次完成了对位置细胞的数据测量 我们发现放射信号的频率是取决于动物的速度的 与在开放平台上老鼠可以向任意方向移动不同 在强制限制了宽度的辐射迷宫中 几乎所有的细胞都是单向的 即为只在动物往一个方向移动时产生反应使用两个电极观察同一个细胞 有一个更加立体的视野来观察解剖学上相近的细胞 从而区分他们的动作电位 如今这一方法已被四电极取代 位置细胞还能尝试着区分围栏是圆还是方 即便是在确定的环境中 位置细胞也仅通过有或无的反射对外界吸引因子做出反应 位置细胞发出信号的频率也会随着外界环境的改变而变化 这使他们产生了一个想法 位置细胞的接收信号可能能够记录迷宫中特定方向上两面相对的墙的距离 当盒子变大时 位置细胞一直记录着相对的两面墙扩大的结果 相位进动 研究背景 研究内容 海马局部场 正弦曲线他想将其整合到认知地图理论中 但失败了 从他以前未发表的文章中 他了解到 不同海马位置细胞有不同的 相位相关 相同位置细胞在不同时间也会有不同的相位相关 带着这些问题 他去找了GyuriBuzsaki 一个一生都致力于研究 和其他海马震荡波的研究的科学家 他们探讨了关于 波和海马锥形细胞活动的关联 JohnO Keefe认为锥形细胞与海马中间神经元不同 他们没有与 波相关的相位发射 他同样怀疑齿状回颗粒细胞中存在中间神经元 它可能真的存在只是周围有太多的颗粒层细胞 而且可能是在解释的时候也被解释为CA3位置细胞的功能 由此他形成了一个干扰理论模型 但是目前的研究技术和数据处理过于复杂 无法进行更加系统的研究 JohnO Keefe从工程学的角度思考 工程学用矢量曲线代替正弦曲线 他反向思考 尝试用正弦曲线代替矢量曲线 矢量长度由正弦曲线的振幅代替 矢量的角度变化由正弦曲线中的相位位移代替 这也使海马中在极坐标系中用正弦曲线做矢量代数来代替环境地标位置成为可能 为了重新去理解位置细胞和 波之间的关系 他进行了实验研究 他们进行了小鼠空间记忆 形状的迷宫实验测量了一个特殊位置细胞 O Keefe发现每个 波中会出现尖状脉冲 他们在动物穿过迷宫路径的早期时相中就已经出现 在下一次走迷宫的前一半路程中继续进动 尽管最后的结果可能是错误 简单的去极化不能解释这种影响 而他的干扰模式理论中 干扰产生的轻微差异频率小波则可以产生这种影响 尖锐脉冲的数量在小鼠面向迷宫中心奔跑的时候会增加 离开中心时会减少 而干扰小波相对于 波会持续增长 说明相位进度与动物所处的空间位置相关而不是时间 time 或者其他因素的影响 后来他们的论文在经过多次退稿之后 在Hippocampus杂志发表了 他们认为海马的输入波中还有一个第二高频率的波 这里应该只的是干扰小波的高峰 但是在嗅皮层和内侧膈核都没有找到 因此作者认为它可能存在于椎体细胞自身树突中 网格细胞 2005年 他们宣布内嗅皮层里存在网格细胞 网格细胞提供给他们的很像是一幅度量地图 是个创建所需的空间信息的海马认知地图 尽管连JohnO keefe自己都在空间嗅皮层内错过了网格细胞 但他不怀疑这个空间作用对人类海马有重大作用 神经科学社区也接受了认知地图的理论 但是网格细胞是如何构建的 JohnO keefe等人提出了一个普遍的二维振动干扰模型 使用干扰模型之间的几个theta波振荡提供了一个良好的网格细胞生成模型 他们组成员曾意识到环境会影响网格细胞结构 甚至会摧毁高度结构化的网格模型 使它像梯形一样不对称 他们正致力于研究网格细胞功能并探索网格细胞到底如何构建大脑 人类海马 如何探究人类的海马体在空间记忆中扮演的角色 使用大比例的鼠迷宫 他们将一款90年代的虚拟现实射击游戏进行改编给测试者提供了一个复杂的70 70米的虚拟环境包括多个房间和通道 对大脑进行快速显影成像技术扫描 观察到海马和海马旁回发生活跃 右侧海马区的血流量和导航精确度有很好的相关性 此外 使用功能磁共振成像研究海马在情景记忆中的作用 结果发现左侧海比右侧海马更密切相关 同时在虚拟环境下研究双侧和单侧颞叶损伤的患者左颞患者显示情景记