科學(xué)家解開大腦的生命支持網(wǎng)絡(luò)

大腦中被稱為下丘腦的部分雖小但功能強(qiáng)大——它控制著生存所必需的基本行為和生理。這些包括飲食、性行為和防御行為、睡眠和生理控制，如體溫、體液平衡和身體對(duì)壓力的反應(yīng)。

由USC Dornsife領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究發(fā)表在3月25日的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，該研究提供了第一個(gè)基于高度詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)圖的全球網(wǎng)絡(luò)模型——下丘腦的內(nèi)部運(yùn)行。這被認(rèn)為是大腦最關(guān)鍵的部分，因?yàn)樗С炙胁溉閯?dòng)物、魚類、鳥類和許多其他動(dòng)物的生命。

這項(xiàng)研究是確定哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組織的持續(xù)努力的一部分，科學(xué)家稱之為“神經(jīng)元項(xiàng)目”。

這個(gè)項(xiàng)目是一項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，旨在更好地理解大腦，這是已知宇宙中最復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。目前，科學(xué)家們的工作重點(diǎn)是基于其灰質(zhì)區(qū)域的連接來完成哺乳動(dòng)物大腦模型。

最后，他們希望將模型擴(kuò)展到包括整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)和身體之間的連接，這些連接被稱為“神經(jīng)元”。這一成果，結(jié)合不同類型腦細(xì)胞的網(wǎng)絡(luò)圖譜，將徹底改變從心理學(xué)到醫(yī)學(xué)的諸多學(xué)科的研究。

為了建立下丘腦的網(wǎng)絡(luò)模型，科學(xué)家們嚴(yán)格分析了65個(gè)已識(shí)別的下丘腦區(qū)域中每個(gè)區(qū)域的連接數(shù)據(jù)，并跨越了40年的大腦研究。對(duì)這些數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)分析揭示了一個(gè)分層的組織，它由大腦兩側(cè)下丘腦65個(gè)區(qū)域的子網(wǎng)絡(luò)組成。

在下丘腦兩側(cè)65個(gè)區(qū)域內(nèi)和區(qū)域之間的16770個(gè)可能的連接中，哈恩和他的同事匯編的數(shù)據(jù)集顯示，其中近8000個(gè)存在。

“這表明下丘腦有一個(gè)高度相關(guān)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，”南加州大學(xué)多恩西夫文學(xué)、藝術(shù)和科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)助理教授(研究)喬爾哈恩說，他是這項(xiàng)研究的主要作者。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)分析還表明，大腦兩側(cè)的兩個(gè)高級(jí)子網(wǎng)在控制行為或生理方面有顯著關(guān)聯(lián)。(見圖)

此外，最高度連接的區(qū)域或中樞位于生理相關(guān)的控制網(wǎng)絡(luò)中。哈恩說，該組織認(rèn)為，下丘腦可能優(yōu)先考慮生理上的過度控制行為。

“從生存的角度來看，這個(gè)組織是有意義的，因?yàn)樾袨槿Q于一個(gè)有能力的機(jī)構(gòu)，”他說。

科學(xué)家們還探索了較低層次的子網(wǎng)，并揭示了可能與許多疾病相關(guān)的新聯(lián)系，包括神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默病和影響下丘腦一個(gè)或多個(gè)功能的行為障礙。

最后，當(dāng)他們開發(fā)這個(gè)模型時(shí)，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)發(fā)現(xiàn)：下丘腦中神經(jīng)元信號(hào)的傳遞似乎是由神經(jīng)元抑制主導(dǎo)的。

科學(xué)家在分析抑制和刺激神經(jīng)傳遞的遺傳標(biāo)記時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一發(fā)現(xiàn)。首先，它們?cè)谡麄€(gè)下丘腦形成了興奮和抑制圖。然后，他們將地圖與新的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了比較。

他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元抑制與下丘腦中最高度連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(中心)密切相關(guān)。哈恩說，這表明下丘腦作為一個(gè)整體受到限制，但它準(zhǔn)備采取行動(dòng)。

他把它比作大壩后面打開或關(guān)閉閘門釋放的水。

哈恩說：“我們不知道這一發(fā)現(xiàn)的功能性后果?！暗珡臋C(jī)械的角度來看，從一個(gè)準(zhǔn)備采取行動(dòng)的系統(tǒng)中消除抑制可以迅速取得成效。因此，它可能有利于生存?！?

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