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《Nature》大脑空间映射基础的分子机制大脑是如何形成这些空间地图的，这是一个令人震惊的复杂过程，涉及到一个复杂的分子相互作用的基因，蛋白质和神经回路，以塑造行为。神经生物学家对这种多人互动的精确步骤束手无策，这也许并不令人意外。 现在，通过哈佛医学院布拉瓦尼克研究所(Blavatnik Institute at Harvard Medical School)的多实验室合作，科学家们在理解大脑空间地图生成的分子机制方面取得了重大进展。这项在小鼠身上进行的新研究8月24日发表在《Nature》杂志上，它证实了一种名为Fos的基因在空间映射中起着关键作用，它帮助大脑使用专门的导航细胞来形成并维持环境的稳定表征。 “这项研究跨越了不同层次的理解，在分子和行为和记忆回路的功能之间建立了相当直接的联系，”哈佛医学院神经生物学副教授、资深作者Christopher Harvey说。“在这里，我们可以理解空间地图的形成和稳定背后的真正原因。” 如果这些发现转化为人类，它们将为我们的大脑如何构建空间地图提供至关重要的新信息。最终，这一知识可以帮助科学家更好地了解当大脑损伤或神经退行性变过程中断时发生的情况。 内存映射 海马体位于大脑颞叶深处，在许多物种(包括鼠和人类)的学习、记忆和导航中发挥着重要作用。科学家们早就知道，为了导航，海马体中含有被称为“位置细胞”的特殊神经元，当动物在空间的不同位置时，这些神经元会有选择地活跃起来。当动物在它的环境中移动时，位置细胞会打开或关闭，从而构建出一幅周围区域的地图，并将其纳入记忆。 “我的实验室多年来一直在研究空间导航，包括位置细胞如何形成环境地图和形成空间记忆，”Harvey说，但“这些过程背后的分子机制很难在行为动物身上研究。” 为了研究这个绘图过程中涉及的分子级联，Harvey和第一作者Noah Pettit, Harvey实验室的神经生物学研究员，与共同的高级作者,HMS的Nathan Marsh Pusey神经生物学教授Michael Greenberg，以及哈佛神经科学博士项目的毕业生Lynn Yap共同完成了这项研究。 Greenberg的实验室研究Fos基因，它编码一种调节其他基因表达的转录因子蛋白。在之前的研究中，Greenberg和他的同事们表明，神经元被激活几分钟后，Fos就会表达出来，这使得它成为大脑中神经活动的有用标记。他们还证明，Fos在不同类型的神经可塑性中起着中介作用，包括导航和记忆形成。然而，Fos和海马中的位置细胞之间的关系尚不清楚。 研究人员想知道，Fos是否参与了小鼠在环境中导航时形成空间地图的过程。为了找到答案，该团队使用了Harvey实验室开发的一种技术，将小鼠置于虚拟现实迷宫中:一只小鼠在一个球上奔跑，它看着一个大的环绕屏幕，屏幕上显示了一个空间导航任务，比如解决迷宫以寻找奖励。当老鼠在球上慢跑并完成任务时，研究人员记录了神经活动和海马中Fos表达的变化。 研究小组发现，在小鼠完成导航任务后的几个小时内，与Fos表达低的小鼠相比，Fos表达高的神经元更有可能形成准确的位置场——位置细胞簇，用来信号空间位置。此外，随着时间的推移，当小鼠在接下来的几天重复这项任务时，高Fos表达的神经元具有更可靠的位置场来指示空间位置。这告诉我们，在小鼠导航时，诱导Fos的神经元有关于老鼠空间位置的非常可靠的信息，这是解决和记忆任务所需的关键变量。 当研究人员在海马体的一个神经元子集中敲除Fos时，他们观察到这些细胞对环境的空间映射比附近具有正常Fos表达的神经元更不准确。此外，缺乏Fos的细胞中的地图在几天内不太稳定，因此，作为对环境的记忆不太可靠。 “Fos似乎对于维持位置细胞的稳定性和准确性很重要，随着时间的推移，它代表了大脑中的空间地图，”Greenberg说。“已经有很多关于Fos的研究，也有很多关于位置细胞的研究，但这是最早将两者直接联系起来的论文之一，它为研究这些机制打开了许多令人兴奋的新方向。” 例如，Greenberg希望深入研究Fos帮助大脑形成并随着时间的推移保持稳定的空间地图所涉及的特定分子和细胞。他还想了解在空间地图记忆从海马体转移到其他大脑区域时，Fos可能扮演的不同角色。同样，Harvey对Fos是否是空间地图记忆在睡眠中固化过程的一部分也很感兴趣。 虽然这项研究是在小鼠身上进行的，但研究人员指出，该系统的大部分是跨物种保存的，包括人类。如果这些发现能够在人类身上得到证实，它们将有助于科学家了解我们的大脑是如何形成空间地图的，以及当我们因受伤或疾病失去这种能力时会发生什么。除了科学之外，研究人员强调，这项研究代表了一个研究细胞和分子机制的实验室与一个专注于动物行为和神经回路的实验室之间不同寻常的合作关系。 Greenberg说:“就我们所做的工作而言，我和Harvey两个实验室之间的距离几乎和系里任何一个实验室一样远，但我们聚在一起研究分子如何与控制学习、记忆和行为的神经回路相互作用。了解到Fos在空间记忆和空间导航中发挥作用，这是一次自然而令人兴奋的合作，很难成为所有这些不同层次神经生物学的专家，但通过合作，两个实验室已经能够弥合这一差距。” 原文：Noah L. Pettit, Ee-Lynn Yap, Michael E. Greenberg, Christopher D. Harvey. Fos ensembles encode and shape stable spatial maps in the hippocampus. Nature, 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-05113-1 |
