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大脑中兴奋性循环网络的功能及研究方法

过去10年,系统神经科学非常强调皮层的抑制性细胞和连接。但大约80%的皮层神经元是兴奋性的,每个接收数千个兴奋性突触输入。这些输入中有很大一部分(一半或更多,取决于估计)来自仅几百微米距离内的其他神经元。这些兴奋性-兴奋性循环连接跨层延伸,也在每个皮层层内形成密集的局部网络。在皮层的每立方毫米中,有多达5亿个兴奋性循环连接。这些循环突触在做什么?由于它们数量众多且广泛分布,兴奋性循环突触会产生构建和维持的代谢成本。因此,它们很可能在大脑功能中起着至关重要的作用。但研究这些网络一直具有挑战性——很大程度上是因为缺乏实验工具——所以我们还不知道循环突触确切做什么。但这种情况正在改变,得益于靶向特定神经元的新工具、计算神经科学的理论进展以及人工智能关于循环网络的知识。本文系统解析循环网络在大脑中的功能及其研究方法。

一、循环网络的规模

方面 数据
皮层兴奋性神经元比例 约80%
每个兴奋性神经元的兴奋性输入 数千个
局部兴奋性输入比例 一半或更多(来自几百微米内)
每立方毫米皮层的兴奋性循环连接 多达5亿个

二、研究循环网络的挑战

挑战 描述
抑制性细胞更容易研究 抑制性细胞类可以通过遗传因素(如PV或SST表达)识别和标记;兴奋性细胞只有少数遗传标记
高度连接性 单个皮层兴奋性神经元接收数百或数千个输入,许多是高度相关的
隐藏影响 仅用记录方法几乎不可能区分循环效应和长程效应(难以估计隐藏因素)

三、新的实验方法

方法 描述
双光子光遗传学 根据活动概况对细胞进行分组,以近单细胞分辨率刺激神经元群体
遗传学+光 将神经活动与基因表达结合,用于光遗传学或化学遗传学控制
群体扰动 大多数单个兴奋性皮层突触是弱的,但刺激许多神经元时,局部效应叠加产生强影响(模仿自然输入)
(责任编辑:泉水)