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诺奖过来人:学神经科学,为什么要先打好数理基础?
作者:Moser Segev | 2024/4/13 10:55:00 | 浏览:902 | 评论:0

诺奖过来人:学神经科学,为什么要先打好数理基础?

网格细胞能否帮助我们了解大脑?图源:Frontiers for Young Minds
导读:

      因发现大脑中的GPS,即组成定位系统的细胞,爱德华·莫索尔(Edvard I. Moser)在2014年与梅·布里特·莫索尔(May-Britt Moser)及约翰·奥基夫(John O'Keefe)共同获得了 2014 年诺贝尔生理学或医学奖。

       作为一名研究大脑的科学家,爱德华·莫索尔对青少年的建议是,学神经科学,要先打好数学和物理基础,而生物学、心理学的相关知识以后再学也很容易。

      请看莫索尔教授如何介绍大脑定位系统细胞的研究,以及他对于青少年的建议。

网格细胞(grid cells)是一种特殊的脑细胞,在大脑导航系统中发挥着关键作用。对这类细胞的研究是当今脑科学领域最有趣、进展最快的课题之一。自从我和我的同事在2005年发现网格细胞以来,甚至是自从我们在2014年获得诺贝尔奖以来,这个领域已经发生了翻天覆地的变化。

在这篇文章中,我将介绍改变网格细胞研究领域的进展,并告诉大家我们今天研究网格细胞的方法。最后,我还将向大家介绍我们如何希望利用对网格细胞的了解作为一窥整个大脑的 "窗口"。
本文在写作时假定读者已经掌握了关于网格细胞和位置细胞(place cells)的基本知识。(相关文章:发现大脑“GPS”细胞的诺奖得主:什么是生活的最优解?)

诺奖过来人:学神经科学,为什么要先打好数理基础?

Edvard Moser 教授与 May-Britt Moser 教授及 John O'Keefe 教授共同获得了 2014 年诺贝尔生理学或医学奖,以表彰他们发现了构成大脑定位系统的细胞。图为Edvard Moser。图源:wikipedia


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网格细胞的简要回顾


你是否曾想过:大脑是如何绘制世界地图,并让你在其中成功导航的?
正如你可能在之前的诺贝尔论文集中所读到的,网格细胞是一种特殊的神经元(脑细胞),是大脑导航系统的重要组成部分。

网格细胞是我和我的同事们在 2005 年发现的[1]。它们位于大脑内嗅皮层(entorhinal cortex)。每个网格细胞对特定的六边形位置模式做出反应(图 1)。许多网格细胞的联合活动在大脑中形成了一个内部 "坐标系统",以帮助动物了解自己在环境中的位置、如何从一个位置到达另一个位置以及如何估算点与点之间的距离(想了解有关网格细胞的更多信息,请观看这段视频:Edvard Moser:网格细胞与大脑的空间定位系统,https://www.youtube.com/watch?v=Ekzec9e1Y4Y)。
诺奖过来人:学神经科学,为什么要先打好数理基础?
图1 - 大脑中的网格细胞。
(A)网格细胞位于大脑中一个叫做内嗅皮层的部位。(B)当动物在其环境中移动时(灰色虚线代表动物在空间中的移动),每个网格细胞都会在特定位置活跃(蓝点代表一个特定网格细胞的活动)。每个网格细胞的活动模式会在空间中形成一个六边形的网格状图案(黄色六边形代表网格图案中的一个六边形)。插图:Iris Gat
网格细胞与内嗅皮层中其他类型的导航细胞协同工作,包括头方向细胞(head-direction cells)、物体矢量细胞(object-vector cells)和边界细胞(border cells)。网格细胞还能与位于大脑另一个区域的位置细胞(place cells)海马体协同工作[2]。我们的目标是了解网格细胞群体自身如何工作,以及如何与其他细胞协同工作。


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网格细胞研究现状


自从我们发现网格细胞以来,这一研究领域发生了重要而迅速的变化。2005 年,通过逐一研究网格细胞的电活动来探索它们的活动,我们发现了网格细胞独特的六边形活动模式。但在过去几年中,单细胞研究方法被同时研究许多网格细胞活动的研究所取代。如今,研究网格细胞的科学家们会研究网格细胞网络的活动,以及这些“网络”如何代表动物所处的环境。但是,我们如何才能同时追踪这些活跃的许多网格细胞呢?

这种新方法的实现得益于两项技术。首先是被称为神经像素(Neuropixels)探针的新型电极的开发,它能让我们通过同时记录许多神经元的电活动来 "听取" 它们(图 2A)[3,4]。最新的神经像素探针包含 5,000 多个记录点,可以捕捉单个神经元产生的电信号。利用神经像素探针,科学家可以记录整群神经元或神经元群的电活动,因此这种记录方式被称为群体神经元记录(a neural population recording)。
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图2 - 网格细胞研究的技术发展。

(A)最近开发出的一种可同时测量多个神经元电活动的新设备,称为神经像素探针(1)。该装置本质上是一个小型计算机芯片,上面有许多记录位点(黑色方格),可以测量大脑活动(2)。(B)在动物头部放置一个微型双光子显微镜(1)。它用激光束照射神经元(2)。神经元内的钙离子随后会发出绿色荧光,从而让科学家看到特定脑区活跃的神经元(3)。插图:Iris Gat

第二项最近的技术进步是开发出了可置于动物头部的特殊光学显微镜[5]。这些微型双光子显微镜可以捕捉神经元内钙离子(Ca2+)流的变化(图 2B),并告诉我们在任何特定时刻哪些细胞处于活跃状态。利用钙成像技术,我们可以通过网络中活跃细胞的直观图像 "看到 "网格细胞,并将不同的图像组合起来,制作出随时间变化的活跃细胞的视频(视频 1:《双光子显微镜下的钙离子成像》https://www.youtube.com/watch?v=nqsPbeoSOdA)[6]。

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视频截图,编者加。

视频1 - 使用双光子显微镜进行钙成像。使用微型双光子显微镜,我们可以跟踪动物大脑中的钙活动(屏幕左侧的亮点),同时动物在其所处环境(屏幕右侧)中自由移动。通过这种跟踪,我们可以看到内嗅皮层中的哪些网格细胞在任何特定时刻都处于活跃状态(视频改编自[6])。

我在挪威的实验室应用了上述先进技术来研究网格细胞网络。我们使用神经像素探针同时记录内嗅皮层中许多细胞的活动。利用我们对网格细胞的了解,我们能够从记录中分离出网格细胞,并对它们进行分组研究。
然后,我们会探究,当动物在周围环境中移动时,某些网格细胞群体是否会以同步的方式一起活动?或者某些细胞群体是否倾向于以特定的顺序或排列方式活跃?如果我们确实在数据中发现了这样的 "规则",我们就可以利用它们来更好地理解整个网格细胞网络的活动(利用先进的统计方法和机器学习技术)。

我们可以将新数据与现有的网格细胞活动理论模型进行比较[7]。如果我们发现某个模型是准确的,就可以计划今后要进行哪些实验、收集哪些新的实验数据以及如何更好地分析数据。这就是理想的科学情景--实验与理论齐头并进。


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网格状细胞研究的未来


网格细胞研究中还有许多未解之谜。例如:网格细胞是如何产生它们的活动模式的?网格细胞的子网络(模块)是如何协同工作的?网格细胞网络如何与其他类型的导航相关细胞网络协同工作,从而绘制出大脑完整的内部地图?

我相信,随着我们对各种类型细胞运作方式的了解不断加深,我们将逐渐能够解决“所有这些细胞如何协同工作”这一更大的问题。我们的下一个挑战将是了解这种集体活动如何导致动物对空间的感知--所有这些细胞的活动如何创造出在现实世界里成功导航的体验?

网格细胞研究人员感兴趣的另一个问题是,网格细胞是否参与了导航规划?换句话说,网格细胞能否预测或规划动物的下一个(或多个)位置?如果可以,距离多远?

有迹象表明,网格细胞包含有关动物近期位置的信息。但是,如果动物在迷宫中“导航”,那么它就需要制定一个计划,即如何从起点到达迷宫的终点(在那里它可以得到美味的食物)。它是一开始就制定计划并记住穿过迷宫的轨迹(图 3A),还是 "临时 "导航并在每个路口就地决定转向哪里(图 3B)?
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图3 - 网格细胞如何 "规划"?通过研究网格细胞,科学家们希望找出动物导航的方式是(A)规划从 A 点到 B 点的整个路线,还是(B)在沿途的每个路口 "临时 "做出局部决定。插图:Iris Gat
网格细胞研究人员目前正在研究的另一个方向是,大脑是否会利用网格细胞来测量其他需要测量的东西,我们称之为度量(metrics)[8]。

科学家推测,网格细胞可用于多种类型的度量,比如追踪社交网络并了解其中的"社交距离"。一般来说,我们认为网格细胞是大脑中进行计算的神经网络。我们希望利用这一网络及其与导航系统中其他细胞网络的关系,来理解大脑如何进行计算和处理信息的一般原理。

我们相信,网格细胞系统可以作为了解大型神经网络如何在大脑中运作的"窗口",并最终解释认知过程是如何运作的——我对此感到非常兴奋!


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给年轻人的建议


要成为一名优秀的科学家,最重要的品质就是好奇心(图4)。如果你有兴趣去了解某件事情,请追随你的好奇心和激情,然后尽全力去搞懂它。不要担心赚大钱之类的事情,也不要提前去想什么东西对你的未来有用。
此外,雄心壮志也很重要。要有远大的目标,要有真正为人类做出贡献的动力。要立志做大事,如果你发现目前还做不到,那就把问题分解成更小的步骤,逐一去实现。

我认为,好奇心和雄心壮志都是可以培养的。因此,通过面对有意义的挑战和问题来锻炼自己是非常重要的。
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图4 - 给年轻人的三个建议。插图Iris Gat.
如果你想从事神经科学领域,我建议你打下坚实的物理和数学基础。随着时间的推移,这些学科对于神经科学越来越重要,而且在年轻时学习它们要比在职业生涯后期学习容易得多。你还需要了解生物学、心理学和其他相关方面的知识,但这些知识在后期学习会更容易。

自20 世纪 80 年代我开始从事神经科学工作以来,很多东西都发生了变化,我认为未来 40 年内还会发生更多变化。不仅神经科学,所有科学领域都将如此。而所有这些伟大的变化,都使得从事科学工作成为一种非常令人兴奋和有价值的冒险。图片

注:本文基于Noa Segev对爱德华·莫索尔的访谈整理而成。
小审稿人:
Ozzy(11岁)Deerfield Elementary(9-10岁)Theo(11岁)
作者简介:

爱德华·莫索尔教授是一位挪威籍神经科学家。他在挪威海岸一个小而偏远的小镇长大,后在奥斯陆大学学习数学和统计学,并于1990年获得心理学学士。随后,他师从Per Andersen教授,在这里继续了他的研究生学习。

莫索尔教授研究了海马体的脑活动,这是一个与空间感知有关的脑区域,并于1995年获得了神经生理学博士学位。在接下来的一年,他在英国爱丁堡大学与神经科学家Richard Morris教授以及伦敦大学学院的John O’Keefe教授的指导下做了一段短暂的博士后研究员。之后,他返回挪威,在挪威科技大学(NTNU)担任生物心理学教授。与梅·布里特·莫索尔(May-Britt Moser)教授一起,他在大脑内嗅皮层发现了网格细胞以及其他类型的细胞(如边界细胞和头方向细胞)。

莫索尔教授是挪威科技大学系统神经科学卡夫利研究所(2007年)和神经计算中心(2013年)的创始联合主任。目前,爱德华·莫索尔教授和梅·布里特·莫索尔教授是卡夫利研究所的科学主任,他们的实验室研究了大脑中的导航系统。

在莫索尔教授的职业生涯中,他获得过许多著名的奖项,包括1999年挪威皇家科学院颁发给年轻科学家的奖项、2011年的Louis-Jeantet医学奖、2012年的Perl-UNC神经科学奖和2014年的诺贝尔生理学或医学奖。莫索尔教授有两个女儿,Isabel Maria和Ailin Marlene。

联系方式:*edvard.moser@ntnu.no

参考文献:(上下滑动可浏览)
[1] Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M. B., and Moser, E. I. 2005. Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature 436:801–6. doi:10.1038/nature03721

[2] Moser, E. I., Kropff, E., and Moser, M. B. 2008. Place cells, grid cells, and the brain’s spatial representation system. Annu. Rev. Neurosci. 31:69–89. doi:10.1146/annurev.neuro.31.061307.090723

[3] Jun, J. J., Steinmetz, N. A., Siegle, J. H., Denman, D. J., Bauza, M., Barbarits, B., et al. 2017. Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity. Nature 551:232–6. doi:10.1038/nature24636



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