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Science：科学家首次公布大脑3D图谱

2013.4.22

　　2012年年底《科学》（Science）杂志预测了2013年六大值得关注的科学领域，其中之一就是连接组（Connectome），这是在大科学项目清单中重点强调的一个项目，也就是找到人类大脑的“布线图”。为了了解这个神奇的大脑网络，此前美国国立卫生研究院已经推出了人类连接组项目（Human Connectome Project），并且美国总统奥巴马也在其联邦预算提案中计划推出一项长达10年，研究经费至少会达到30亿美元的人脑研究项目：大脑活动图项目（Brain Activity Map project），探讨人脑活动功能及做出大脑活动综合图。

　　近期关于大脑研究的重要成果接连不断，如大脑定位新机制（Nature重大突破：首次揭示大脑定位新机制），大脑全基因组增强子解析（Cell：首个大脑全基因组增强子图集）等等。而在最新一期（4月19日）的Science杂志上，又接连公布了两项重要的研究突破：挑战原有观点的新发现，及大脑3D图谱。

　　在第一项研究中，来自马里兰大学，波士顿大学的研究人员利用蝙蝠和大鼠解析了大脑的作用机制，挑战了目前广泛接受的一种关于动物如何辨别方位的模型。这项研究指出，要想更深入的了解哺乳动物的大脑，还需要进一步分析更多的动物类型。

　　这篇发表于Science杂志上的文章指出，大鼠与蝙蝠大脑节律侦查方向这部分存在极大的差异。

　　研究人员聚焦于一种称为内侧嗅皮层（medial entorhinal cortex）的区域中一些用于处理空间信息的特殊细胞，内侧嗅皮层是记忆和导航神经网络的枢纽。此前有实验表明，当动物侦测空间的时候，一个称为θ波（theta/θ wave）的节律电信号会不断激活大鼠脑细胞中的这一区域，而一些大脑模型在用这种波处理后，也表明这是所有哺乳动物空间侦查的一个关键元件，但是这一结论基于针对啮齿动物的研究，Moss说。

　　波士顿大学-马里兰大学研究组在细胞水平上，检测了蝙蝠和大鼠脑组织中节律电应答的情况，他们在大鼠细胞中发现了θ波，但是在蝙蝠细胞中却没有发现这些波，Moss说——他早在20世纪80年代就开始了蝙蝠的研究。

　　“这对之前的观点提出了质疑，θ节律是否在这个空间导航理论中扮演了关键的角色呢，”文章的另外一位作者 Katrina MacLeod说，“要了解大脑，包括人类的大脑，我们还需要在更多种动物中进行深入探索。”

　　人类和其他哺乳动物的脑组织具有许多共同的特征，但大鼠和蝙蝠中θ波的差异提出了大脑空间信息处理的新疑问。

　　在第二项研究中，以色列Weizmann理学院的研究人员也发表了突破性研究结果——三维的大脑。

　　动物通过导航和定位来寻找食物和住所，或躲避天敌，从而谋求生存，来自以色列魏兹曼研究院神经生物学系的Nachum Ulanovsky博士完成了一项最新研究，第一次揭示出了哺乳动物大脑如何进行三维的时空感知，这项研究还研发了一种独特的小型化神经遥测系统，可以用于检测飞行中的单个大脑细胞。

　　一直以来，科学家们都在研究关于动物如何在空间中寻找方向的问题，但是至今大多数的实验都是在二维空间设置中完成的，但是实际上现实世界中的许多动物，包括人类在内，都是生活在三维空间中的，然而当科学家们尝试将实验范围扩大到三维立体结构中的时候，他们遇到了许多困难。

　　其中比较有名的例子就是此前亚利桑那大学和美国航空航天局NASA进行的一个项目，他们让大鼠搭乘航天飞机进入太空。结果发现虽然大鼠能在零重力下移动，但是它们沿着直线飞行，这是一种一维线条。还有一些其它的关于三维实验的项目，但都未能获得空间数据。最后的结论是，如果要了解三维时空的运动，必要让动物在三个维度中移动，也就是飞行中的动物。

　　Ulanovsky选择了一种称为埃及果蝠的蝙蝠作为研究对象，这是一种在以色列很常见的蝙蝠品种。由于这种动物比较大，所以研究人员能在其身上绑上无线测量系统，而不影响蝙蝠的动作。

　　这一系统的研发耗费了研究人员多年的时间，Ulanovsky已经通过与美国商业公司合作，建立一个无线的，重量轻（12克，约蝙蝠重量的7％）的移动设备，能用于测量蝙蝠大脑中单个神经元的活性。

　　但这还没有完，科学家们面临的另一个挑战就在于调整蝙蝠的行为，以适应实验的需要，蝙蝠一般是直接朝着它们的目的地，如水果树飞过去的，也就是说，它们的正常飞行模式是一维的，而实验需要的是三维检测。这个问题其实之前Ulanovsky已经解决了，他利用一种微型GPS装置跟踪野生果蝠。

　　然后研究人员开始检测蝙蝠大脑中海马神经元的活性，他们发现其三维空间的活性与二维的相似：每个位置细胞负责识别一个特殊的空间区域，并当蝙蝠位于这一区域的时候发出电信号。总之位置细胞群提供了空间的上下左右方位感。

　　研究人员又分析了单个位置细胞的作用，从而回答了一个备受争议的问题：大脑是否“平均”感知三维空间，也就是说，大脑感受到高度这一轴线的方式，是不是与它感受横坐标，或长度坐标一样呢？

　　这项研究发现每个位置细胞都负责一个球形的空间位置，换句话说，所有三个维度的感知都均匀的。研究人员指出，对于那些非飞行动物来说，它们的生活基本上是在平坦的空间中移动，不同的坐标轴也许分辨率不同。这些动物可能天生就对长度和宽度变化的敏感性要比对高度变化的敏感性小。

　　这样就提出一个很有趣的问题，对于人类来说，一方面我们是从猿进化而来的，能利用树枝在空中摆动，而另一方面，现代人类一般居住在地面，是一种二维空间。

　　这一发现提出大脑空间记忆和空间知觉研究的新观点，在很大程度上，这是由于创新技术的发展，令我们第一次观察到了动物的飞行大脑。Ulanovsky认为这将成为未来神经科学研究的一种趋势，这比在实验室中更能模拟动物的天然行为。

基因大脑

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