唧唧堂：NAT. NEUROSCI. 自然神经科学2017年1月论文解析
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解析文章首发于唧唧堂，文章作者：唧唧堂研究人 Runsong
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1. 毛细胞具有两种涉及不同化学分子的机械信号传导通路
耳毛细胞包括机械信号传导通路，这种通路在声波诱发的振动下快速打开。本文报道了毛细胞中由两种涉及不同化学分子的机械信号传导通路。一种是离子通道，被声音激活，负责感觉换能（将声音信号转化为神经信号）。这种感觉换能作用是由毛细胞中的纤毛完成的，而且之前的研究表明纤毛的活动受到编码跨膜蛋白TMHS，TMIE，TMC1和TMC2的基因变异的影响。本文描述了另一种离子通道，它位于毛细胞的顶部表面，并包含Piezo2蛋白。依赖于Piezo2蛋白的通道的活动受到细胞内Ca离子浓度的控制，可以根据随后的感觉换能机制的混乱或者更常见的上皮细胞的破坏来记录这种活动。本文得出结论，毛细胞具有两种涉及不同化学分子和功能的机械信号传导通路，它们各自的亚细胞的分布也是不同的。
论文原文：
Wu, Z., Grillet, N., Zhao, B., Cunningham, C., Harkins-Perry, S., & Coste, B., et al. (2016). Mechanosensory hair cells express two molecularly distinct mechanotransduction channels. Nature Neuroscience, 20(1), 24-33.
https://www.researchgate.net/publication/311100163_Mechanosensory_hair_cells_express_two_molecularly_distinct_mechanotransduction_channels
2. 果蝇幼虫的TRPA1通道调节着对温度变化率的感知
避开有毒的、烫热的物质对于生存是至关重要的。动物对温度的变化速率非常敏感。然而，动物是如何感知温度的快速变化并对此做出反应的，其背后的细胞和化学分子机制尚不清楚。本文研究者研究果蝇幼虫，发现由疼痛引起的打滚行为是在温度剧烈升高的过程中被激发出来的，并找到了对温度升高速率敏感的神经元。这些神经元的活动和果蝇的行为反应依赖于TRPA1通道，这种通道会动温度升高的速率做出反应。本文研究者提出，果蝇幼虫的大脑中存在低阈值的感受器，可以监测温度的快速升高，以此触发警戒信号，激发打滚行为，并且在大脑的温度上升至危险水平之前快速逃离高温环境。
论文原文：
Luo, J., Shen, W. L., & Montell, C. (2016). TRPA1 mediates sensation of the rate of temperature change in drosophila larvae. Nature Neuroscience, 20(1), 34-41.
https://www.researchgate.net/publication/309227077_TRPA1_mediates_sensation_of_the_rate_of_temperature_change_in_Drosophila_larvae
3. 一种快速的谷氨酸能弓状核-下丘脑室旁核饱足感回路受到阿尔法-MSH的调节
弓状核（ARC）神经元感知饱胀程度和节食状态，并调节饥饿。弓状核中的刺豚相关蛋白（Agouti-related protein, AgRP）神经元（即ARCAgRP神经元）会受到绝食的刺激，一旦被激活，它们就会在几分钟内快速地产生饥饿感。黑色素皮质素激素（ARCPOMC）神经元被视为是与ARCAgRP神经元相对应的，它们相互拮抗，共同缓解饥饿。然而，与ARCAgRP神经元不同的是，ARCPOMC神经元以非常缓慢的方式调节着饥饿（通常需要几个小时）。从时间上来看，弓状核具有快速感知饥饿的通路，但没有快速感知饱足程度的通路，或者说这种通路尚未被确认。本文研究者表示，与ARCPOMC神经元不同的是，释放谷氨酸并作用于催产素受体的弓状核神经元受到化学或者光遗传学上的控制时，可以快速产生饱足感。这些谷氨酸能弓状核投射纤维的突触与GABA能ARCAgRP神经元汇集于下丘脑室旁核（PVH）通过黑皮质素-4受体（MC4R）表达饱足感的神经元（PVHMC4R神经元）。从弓状核谷氨酸能神经元到PVHMC4R突触的传输通路被ARCPOMC神经元衍生而来的MC4R激动剂即阿尔法-黑色素细胞刺激素（阿尔法-MSH）强化。这种兴奋性的弓状核-下丘脑室旁核饱足感回路，以及它被阿尔法-MSH调节的机制，提供了一个理解饥饿感和饱足感调节机制的视角。
论文原文：
Fenselau, H., Campbell, J. N., Verstegen, A. M. J., Madara, J. C., Jie, X., & Shah, B. P., et al. (2016). A rapidly acting glutamatergic ARC→PVH satiety circuit postsynaptically regulated by α-MSH. Nature Neuroscience, 42-51.
https://www.researchgate.net/publication/310628291_A_rapidly_acting_glutamatergic_ARCPVH_satiety_circuit_postsynaptically_regulated_by_a-MSH
4. 背侧海马回-前边缘皮层的直接连接增强恐惧记忆
我们的记忆中存在受到威胁的经历，对这种记忆的巩固和强化进行调节的能力对心理健康是非常重要的。再次遭遇和之前类似的威胁可能会增强恐惧，也可能会减弱恐惧反应，前者叫作记忆重筑（reconsolidation），后者叫作记忆消退（extinction）。本文研究者使用依赖于情景检索的记忆增强模型（context retrieval-dependent memory-enhancement model）研究老鼠，发现通过激活从背侧海马回到前边缘皮层（prelimbic cortex）的直接投射纤维和激活前边缘皮层的不会影响记忆消退的关键分子机制，可以加强记忆。而且，前边缘皮层的持续性的脑源性的神经营养因子（BDNF）的表达是记忆巩固所需要的，记忆提取的过程需要这些营养因子调节兴奋性和抑制性突触蛋白，即神经连接蛋白1和神经连接蛋白2，这种调节过程能提高记忆的能力，抑制记忆的消退。因此，依赖于情景检索的恐惧记忆增强是由记忆增强机制和记忆消退抑制机制共同导致的。
论文原文：
Ye, X., Kapellerlibermann, D., Travaglia, A., Inda, M. C., & Alberini, C. M. (2016). Direct dorsal hippocampal-prelimbic cortex connections strengthen fear memories. Nature neuroscience, 52-61.
https://www.researchgate.net/publication/310628097_Direct_dorsal_hippocampal-prelimbic_cortex_connections_strengthen_fear_memories
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5. 皮层抑制的平行过程使得老鼠可以做出情景依赖行为
感觉刺激的物理特征是稳定的，但我们对它们的感知会受到情景的影响。情景如何调节我们对周围刺激的感知的精确机制尚不清楚。本文研究者通过在两种情景之间来回转变训练老鼠，一种情景是让老鼠被动地倾听纯粹和谐的声音，另一种情景是让老鼠对同样的声音刺激进行辨别，完成认知任务。双光子成像技术表明，听皮层中的许多兴奋性神经元在行为过程中受到抑制，同时一些细胞变得更加活跃。全细胞记录（whole-cell recordings）表明，兴奋性的声音刺激会适度地受到情景的影响，而抑制性的声音刺激更敏感，更容易受到情景的影响，PV+，SOM+和VIP+三种中间神经元亚型在神经网络中在抑制和反抑制之间取得了平衡。在情景改变时，胆碱能神经元发挥调节作用，其轴突变得更加活跃，并直接导致抑制性细胞的去极化。胆碱能中间神经元的平行调节过程是情景依赖行为的基础。
论文原文：
Kuchibhotla, K. V., Gill, J. V., Lindsay, G. W., Papadoyannis, E. S., Field, R. E., & Sten, T. A. H., et al. (2016). Parallel processing by cortical inhibition enables context-dependent behavior. Nature Neuroscience, 62-71.
https://www.researchgate.net/publication/309591012_Parallel_processing_by_cortical_inhibition_enables_context-dependent_behavior
6. 果蝇的视觉系统中对运动的内部表征
将运动感觉信号整合成对自身运动的内部评估对空间感知和运动控制是至关重要的。然而，哪些神经回路精确地追踪身体的运动，这些回路是如何控制控制身体运动的，这些问题犹待解开。本文研究者发现，果蝇有一个神经元群对视觉流动模式（visual flow patterns ）非常敏感，尤其是当这些运动信号是在果蝇移动的时候产生。水平系统（horizontal system, HS）细胞编码关于果蝇视野中运动的物体的明确的定量信息。沿斜线和水平方向移动的信号与物体的行为状态信号相整合，在果蝇非尖峰细胞（non-spiking cells）的膜电位中生成方向选择性的、对速度敏感的梯度变化。只有当视觉刺激符合果蝇在运动过程中的期待是，HS细胞的方向选择性才会与果蝇对视野中物体的选择性相互结合，也就揭示了果蝇是如何监控自己的移动的。另外，HS细胞还和果蝇足部的转弯有关，可以控制果蝇的移动方向。
论文原文：
Fujiwara, T., Cruz, T. L., Bohnslav, J. P., & Chiappe, M. E. (2016). A faithful internal representation of walking movements in the drosophila visual system. Nature Neuroscience, 72-81.
https://www.researchgate.net/publication/309591167_A_faithful_internal_representation_of_walking_movements_in_the_Drosophila_visual_system
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7. 鼻毛运动皮层的活动抑制身体对侧胡须的行为
解剖学等数据揭示了鼻毛运动皮层（vibrissa motor cortex）对胡须运动的控制作用。对运动皮层的研究工作聚焦于身体运动是怎样产生的，但是鼻毛运动皮层到底在胡须的活动中扮演什么角色仍不清楚。本文研究者在各种形式的胡须触动过程中记录了鼻毛运动皮层神经元的活动。动物胡须的自由活动，对其他物体的触碰，在社交场合中的触碰，全都导致鼻毛运动皮层活动的减少。为了理解为什么会这样，本文研究者使用了并排细胞记录（juxtacellular recordings）、纳米刺激（Nanostimulation）和在体全细胞记录（whole-cell recordings）。动物的社交碰触导致神经元放电活动的减少，细胞兴奋性和膜超极化的降低。皮层内微电流刺激激活鼻毛运动皮层，引起胡须的回缩。不同鼻毛运动皮层失活程式导致身体对侧胡须的伸长，并导致胡须的活动减少。这些数据表明，鼻毛运动皮层的活动的主要作用是抑制胡须运动。
论文原文：
Ebbesen, C. L., Doron, G., Lenschow, C., & Brecht, M. (2016). Vibrissa motor cortex activity suppresses contralateral whisking behavior. Nature Neuroscience, 81-89.
https://www.researchgate.net/publication/309591011_Vibrissa_motor_cortex_activity_suppresses_contralateral_whisking_behavior
8. 针对校准的负性记忆增强的反馈神经回路
负性体验强烈地调节着情绪形成，这些体验的强烈程度也相应地影响着记忆的强度。携带负面情绪信号的神经回路受到抑制被假定为是和记忆强度存在关系的。然而，产生预测性抑制以调节记忆形成的神经回路机制仍未可知。本文研究者表示，预测性感觉线索招收来自中央杏仁核的降序反馈回路。这条回路激活特定的中脑导水管周围灰质疼痛调节神经元，从而控制负性记忆的增强。利用光遗传学抑制这条通路使得外侧杏仁核神经元的预测性负性反应失去抑制。外侧杏仁核存储恐惧记忆，当这种记忆失去抑制，就会被重新设置，变得更强烈。这些结果揭示了控制校准学习信号以适应性地调节行为学习强度的机制。这种神经回路的失调可能会影响与高强度的恐惧反应相关的精神疾病。
论文原文：
Ozawa, T., Ycu, E. A., Kumar, A., Yeh, L. F., Ahmed, T., & Koivumaa, J., et al. (2016). A feedback neural circuit for calibrating aversive memory strength. Nature neuroscience, 90-97.
http://jlab.brain.riken.jp/pdf/NatNeuro_Taka_2016_Combined.pdf
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9. 嗅觉系统区分气味的一种可能途径
嗅觉系统面临一个难题：嗅觉感受器神经元（将化学信号转化为神经活动的神经元）要分辨嗅觉信息，必须知道世界上存在哪些气味。气味几乎从来不会单独出现，而且不同的气味会激发相同的嗅觉感受器，所以嗅觉系统面对的重大挑战是如何将众多嗅觉信息分辨开来。当我们要辨别出一种气味时，这种气味通常出现在复杂的环境中，周围可能有很多种其他气味，区分各种气味从本质上说是一种概率推理任务。本文研究者提出，早期嗅觉系统使用近似于贝叶斯推理的方法来解决这个问题。这种计算方法涉及嗅球和梨状皮层（piriform cortex）之间的动态回环，大脑皮层解释嗅觉感受器神经元的传入的关于混合气味的神经活动。这种理论模型与已知的解剖学和生理学知识是相容的，并且比其他模型能更好地解释嗅觉系统是如何区分气味的。
论文原文：
Agnieszka GrabskaBarwińska, Simon Barthelmé, Jeff Beck, Zachary F Mainen, Alexandre Pouget, & Peter E Latham. (2016). A probabilistic approach to demixing odors. Nature neuroscience, 98-106.
https://www.researchgate.net/publication/311449609_A_probabilistic_approach_to_demixing_odors
10. 相互关联的神经元可变性的空间结构
大脑皮层的神经元群中共享的神经可变性似乎是无处不在的。这种可变性被认为是来源于突触输入信号的重叠，但是尚不清楚的是它与局部神经回路结构的确切关系。本文研究者将计算机模型和在体实验记录结合在一起，研究神经连接的空间结构与神经回路的可变性的关系。通过将神经活动的兴奋性和抑制性的平衡纳入神经网络理论模型中，本文研究者发现，空间局部横向投射促进了弱关联的神经放电活动，但更广泛的横向投射产生了独特的空间关联结构：彼此靠近的成对的神经元具有较高的正相关关系，距离适中的成对的神经元呈负相关关系，距离较远的成对的神经元的关系非常弱。对猕猴初级视皮层表层的最新的记录分析揭示了这种关联程度对距离的非单调依赖。本文的研究发现，距离依赖性的关联结构提高了平衡神经网络理论（balanced network theory）对相关的神经元可变性的解释程度。
论文原文：
Rosenbaum, R., Smith, M. A, Kohn, A., Rubin, J. E., & Doiron, B. (2016). The spatial structure of correlated neuronal variability. Nature neuroscience, 107-114.
https://www.researchgate.net/publication/311449562_Shared_memories_reveal_shared_structure_in_neural_activity_across_individuals
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11. 共享的记忆揭示了个体在分享过程中神经活动的结构
我们的生活必不可少的一部分是与其他人分享经验和记忆。当不同的人讲述同样的事，他们对这件事的神经表征在多大程度上是相似的？本文研究者让被试观看50分钟的电影，然后让他们口述电影中的事件并同时用fMRI检测他们的大脑活动，被试需要在无人指导的情况下详细描述电影情节，描述40分钟。在每位被试口述电影情节时，特定事件的空间模式（event-specific spatial patterns）在默认网络、内侧颞叶和高级视觉中枢中得以恢复；个人事件模式（individual event patterns）则具有高度可辨别性，不管被试是否具有相似的经历。这表明对同一件事的记忆具有一致的空间组织。与感知同一事件相比，人们在回忆同一事件时许多高级脑区具有相似的活动模式，这表明人们在从感知到记忆的过程中对信息进行了系统的改造。这些结果揭示了高级皮质区域中对于记忆的普遍空间组织的存在，在这些高级脑区，信息编码是非常抽象的。
论文原文：
Chen, J., Yuan, C. L., Honey, C. J., Yong, C. H., Norman, K. A., & Hasson, U. (2016). Shared memories reveal shared structure in neural activity across individuals. Nature Neuroscience, 115-125.
http://www.nature.com/neuro/journal/v20/n1/pdf/nn.4433.pdf
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