2013神經科學年會焦點報導(下)

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在2013神經科學年會(Society for Neuroscience Annual Meeting 2013)焦點報導上篇中,回顧了神經科學研究中當紅與新興之各種動物模型的特性與優勢,以及神經資料之分析的各項計算或統計方法。在下集中,將介紹目前幾項重要的電生理紀錄和神經顯影的技術發展現況,如光遺傳學、雙光子顯微法、鈣離子偵測蛋白,與膜電位感測器;另外,本文亦介紹了年會上其他重要的發表主題,如社交行為與社會階層的研究,還有臉孔辨識之區域等,讀著們是否已經迫不及待地想立刻點閱呢?


(封面圖片來源 : http://www.nature.com/nature/journal/v499/n7458/fig_tab/nature12354_F2.html)

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Chemical Engineering, Bioengineering, and Photonics Give Rise to Circuit-Probing Hardware and Wetware
圖片來源:Neuron, Volume 80, Issue 3, 568-577, 30 October 2013


新興的電生理記錄與顯影方法

1.  光遺傳法(Optogenetics)及雙光子顯影技術(Two-Photon Microscopy

隨著各式各樣顯影技術的發展,再加上美國大腦計畫(Brain Initiative)的支持,此次年會上有許多研究利用光顯影法來研究特定神經元的功能。

霍華休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute;HHMI)的Dr. Karel Svoboda是利用雙光子螢光顯微鏡技術在活體動物中將突觸結構顯像的先驅,他指出當大腦在獲得新的感官經驗時,樹突結構會改變,而這次海報展上他的實驗室更進一步的結合光遺傳法,再加上振鏡(mirror galvos)來改變激發光束(stimulating beam)入射到大腦的位置,達到系統化抑制55個不同腦區來研究他們對行為決策影響的目的。該研究發現在試驗早期抑制老鼠的桶狀皮質(barrel cortex)和在試驗晚期抑制運動皮質(anterior lateral motor cortex;ALM)對決策行為的影響最為顯著,這也證明了在做決定的過程中,大腦會將感覺皮層的訊息傳遞給運動皮質。

這個創新的研究方法主要具有兩個優勢:比起傳統的雙光子顯影,他使得可以操控的大腦範圍更廣泛;在實驗所需要花費的時間上,比起傳統方法也來得更有效率,因此避免了動物在選擇策略上的改變(strategy adaptation)。

2.  雙光子顯影的有力工具─鈣離子偵測蛋白Calcium sensor GCaMP6

另外一個特別受到矚目的研究,就是霍華休斯醫學研究所(HHMI)的Dr. Douglas Kim率領的研究團隊發展出了超敏感(ultrasensitive)的鈣離子偵測蛋白GCaMP6。此鈣離子偵測蛋白在果蠅、斑馬魚及老鼠的活體實驗上都證明了比先前的幾種鈣離子偵測蛋白都還敏感,產生的螢光信號強度也增加了七倍,這兩個突破對於研究大腦神經對環境參數的調變(tuning)將有顯著上的幫助。

3.  基因調控的膜電位感測器(Genetically Encoded Voltage Sensors

目前常用的鈣離子顯影技術(Calcium imaging)在某些特定的細胞類型中,尤其針對閾值下(sub-threshold)的膜電位或是高頻率的放電(firing),都無法很好的捕捉到神經元的活動,因此另一個新興的研究領域則是基因調控的膜電位感測器。

傳統上的膜電位感測器一直面臨螢光蛋白活性相對較低、同時被膜電位和激發螢光活化、時間常數不夠短的挑戰。此次年會上,來自美國史丹佛大學(Stanford University)的Dr. Mark Schnitzer的研究團隊發表了新的膜電位感測螢光蛋白(Arch-EEN and -EEQ),解決了上述的幾個問題,比起前一代的膜電位感測蛋白,偵測神經膜電位活性的準確度提高了三倍以上。

4.  其他電生理記錄方法

當視覺研究有蓬勃的進展,聽覺研究的突破卻相對遲緩許多,除了時間維度帶來的複雜度,核磁共振的運轉噪音使得聽覺研究無法使用功能性核磁顯影(fMRI)來進行非侵入式(non-invasive)的研究。一個因應而起的非侵入式方法是利用腦電圖(EEG)加上腦磁圖(MEG)來增加時間與空間上的解析度,然而這只能提供粗略的定位,甚至多數刺激的調適(stimulus tuning)根本就不明顯;另外一個方法則是利用皮層腦電圖(EcoG),對於在人的研究上,雖然樣本受限於癲癇病人,但是比起腦顯影而言,提供了更高解析度的神經活性,在動物的研究上,比起單一電極,則提高了一個同時看群體神經反應的機會。

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GCaMP6 performance in the mouse visual cortex.
圖片來源:Nature 499, 295–300 (18 July 2013) │ doi:10.1038/nature12354


其他重要研究主題

1.  社會階層(social status)與腦神經活動的關連

在此次年會中也有不少關於在社會階層的位置如何影響決策等等的認知行為,以下舉出幾個比較有趣的研究。比方說普林斯頓大學(Princeton University)的Dr. Liz Gould的研究團隊發現成年老鼠在擾動的環境下比起安定的社會,產生比較少新的腦細胞。另外,牛津大學(Oxford University)的Dr. Matt Rushworth的研究團隊發現交友圈較廣的人在某些特定的腦區上,顯得相對較大,也具有比較多的連結。哈佛大學(Harvard University)的Dr. Ziv Williams的研究團隊在猴子可以互利(mutual reward)的情況下,前帶狀皮質(anterior cingulate cortex)的腦細胞活動可以正確的預測其他猴子的反應,這進一步的顯示這個腦區不僅僅是社交決策的熱點(hot spot),甚至很有可能和自閉症或社交困難等疾病相關。

2.  臉部識別的特定區域(6 face patches

在年會中最後一場主席特別演講中,來自加州理工學院(California Institute of Technology;Caltech)的Dr. Doris Tsao分享了他研究大腦如何編碼來識別物體(object recognition)。物體識別是當前系統神經學中一個核心的挑戰問題,視覺世界的無數個物體是永遠也無法完整代表完的,另外要如何知道神經是專門辨識人臉,或只是對該組刺激中共同的部分特徵(比方說臉的稜線)有反應而已,他講述了先由大量能代表不同種類的視覺刺激(visual object sets),搭配功能性核磁顯影(fMRI)找到了六個離散的區域(patches),對於臉比起其他物體,有更多顯著性的反應,接著由單電極記錄,來確認各區神經元的感受區(receptive field),發現不同區在編碼人臉上有不同的層級(hierarchy)。有的區完全不在乎臉的方向,只要是特定人士的臉,神經就都會有反應,可以說是身分識別區(identity);有的區則是只對面向某個特定方向的側臉有反應;有的區則是在中間,對於對稱的兩個方向都會有反應。

在這一次的年會上,也可以看到視覺系統的研究,比起以往完全人造而簡單的視覺刺激(artificial objects),更多研究團隊改採取真實世界的物體(natural stimuli),這是因為人造刺激在維度上往往不及真實世界的物體,而且在編碼上越高層的神經元活動就越不線性。因此,使用真實世界的物體或保留其統計結構所創造人造刺激,搭配可適性演算法(adaptive algorithm)也是這方面研究的一個趨勢。

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Sensitivity of prefrontal and temporal face patches to facial expression.
圖片來源:Nature Neuroscience 11, 877 – 879 (2008) | doi:10.1038/nn.2158


總結
 

即便將完整腦神經的圖譜都解出來,有解剖上的證據卻沒有功能上的了解仍舊無法回答大腦怎麼運作。在此次年會上,可以看到神經科學研究的趨勢是整合各種工具(分子調控、光學顯影、膜電位電記錄、行為、計算)來研究一個問題;此外由於很多大腦活動在麻醉時都被抑制,因此在清醒(awake)、可自由移動(freely-moving)的動物上實驗也是未來研究的一個趨勢。

撰文│張嘉容
編輯│曾思宜

作者簡介:

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張嘉容

臺大電機系畢,目前就讀於美國約翰霍普金斯(Johns Hopkins University;JHU)生醫工程所二年級,研究題目為聽覺皮層對語音的神經編碼,專長為訊號處理、單細胞電生理記錄(single-unit recording)及計算神經模型(computational neuronal models)。


參考網站:

Society for Neuroscience Website:

http://www.sfn.org/

Society for Neuroscience 2013 Website:

http://www.sfn.org/annual-meeting/neuroscience-2013

Society for Neuroscience 2014 Website:

http://www.sfn.org/annual-meeting/neuroscience-2014

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