MIT研究人员在丘脑中发现了帮助我们掌握信息的大脑回路

2022年05月26日 14:32 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

随着年龄的增长,人们的工作记忆往往会退化,使得执行日常任务更加困难。与这种类型的记忆有关的一个关键大脑区域是丘脑前核,它主要参与空间记忆--对我们周围环境的回忆以及如何导航它们。

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在最近的一项小鼠研究中,麻省理工学院的研究人员确定了丘脑前核中的一个回路,该回路对于记忆如何在迷宫中导航是必要的。科学家们还发现,这一电路在老年小鼠中受损,但增强其活动可大大改善它们正确运行迷宫的能力。

据研究人员称,这一区域可能是一个很好的治疗目标,可以帮助扭转老年人的记忆丧失,而不影响大脑的其他部分。

麻省理工学院James W. and Patricia T. Poitras脑与认知科学教授、哈佛大学和麻省理工学院Broad研究所成员、麻省理工学院McGovern脑研究所副主任冯国平说:“通过了解丘脑如何控制皮质输出,希望我们能在这个区域找到更具体和可药用的目标,而不是普遍调节有许多不同功能的前额皮质。”

冯国平是这项研究的资深作者,该研究于 5月25日发表在《美国国家科学院院刊》上。Dheeraj Roy,美国国立卫生研究院K99奖获得者和布罗德研究所的麦戈文研究员,以及张颖,麦戈文研究所的J. Douglas Tan博士后研究员,是该论文的主要作者。

空间记忆

丘脑是位于大脑中心附近的一个小结构,有助于工作记忆和许多其他执行功能,如计划和注意力。冯国平的实验室最近一直在研究丘脑的一个区域,即丘脑前核,它在记忆和空间导航方面有重要作用。

以前对小鼠的研究表明,丘脑前核的损伤导致空间工作记忆的损害。在人类中,研究显示丘脑前核的活动与年龄有关的下降,这与空间记忆任务的低表现相关。

丘脑前核分为三个部分:前腹侧核、前内侧核和前背侧核。在去年发表的一项研究中,同一组研究人员分析了了前背侧核和前腹侧核丘脑在记忆形成中的作用。他们发现,前背侧核参与创建物理空间的心理地图,而前腹侧核则帮助大脑将这些记忆与其他类似空间的记忆区分开。

在他们的新研究中,研究人员希望更深入地观察视丘脑,探索它在空间工作记忆任务中的作用。为了做到这一点,他们训练小鼠运行一个简单的T形迷宫。在每次试验开始时,小鼠一直跑到T字形,其中一个通道被封锁,迫使它们沿着另一个通道跑。然后,小鼠再次被置于迷宫中,两个通道都打开。如果小鼠选择了与第一次跑步相反的通道,它们就会得到奖励。这意味着,为了做出正确的决定,它们必须记住它们在前一次运行中转向的方向。

在小鼠执行任务时,研究人员使用光遗传学来抑制任务三个不同部分的前背侧核神经元的活动:采样阶段,发生在第一次跑步时;延迟阶段,当他们等待第二次跑步开始时;以及选择阶段,当小鼠在第二次跑步时决定转向哪边时。

研究人员发现,在采样或选择阶段抑制房室神经元对小鼠的表现没有影响,但当他们在延迟阶段(持续10秒或更长时间)抑制房室活动时,小鼠的任务表现要差得多。

这表明,在任务需要时,视听神经元对保持信息在脑海中是最重要的。相反,抑制前背侧核神经元会破坏采样阶段的表现,但在延迟阶段影响不大。这一发现与研究小组的早期研究相一致,该研究显示前背侧核神经元参与形成物理空间的记忆。

“一般来说,丘脑前核是一个空间学习区域,但在这个维持期,在这个短暂的延迟期,似乎需要腹侧神经元,” Roy说。“现在我们在丘脑前核内有两个分区:一个似乎有助于背景学习,另一个实际上有助于保持这种信息。”

与年龄有关的下降

研究人员随后测试了年龄对这个电路的影响。他们发现,年龄较大的小鼠(14个月)在T型迷宫任务中的表现较差,其房室神经元的兴奋性较低。然而,当研究人员人为地刺激这些神经元时,小鼠在任务中的表现就会有显著改善。

提高这项记忆任务表现的另一个方法是刺激前额叶皮层,而前额叶皮层也会经历与年龄相关的衰退。然而,研究人员发现,激活前额叶皮层也会增加小鼠的焦虑程度。

张颖说:“如果我们直接激活内侧前额叶皮层的神经元,它也会引起焦虑相关的行为,但这不会在前腹侧核激活期间发生。与前额叶皮层相比,这是激活前腹侧核的一个优势。”

研究人员说,如果可以用一种非侵入性或微侵入性的技术来刺激人脑中的这些神经元,它可以提供一种帮助防止与年龄有关的记忆衰退的方法。他们现在正计划对丘脑前核的神经元进行单细胞RNA测序,以找到可用于识别将成为最佳目标的细胞的基因特征。

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