麻省理工学院开放课件 | Brain and Cognitive Sciences | 9.95-A Research Topics in Neuroscience, January (IAP) 2003

讲座1:从神经元到神经网络

在MIT Dr.Liu的实验室,我们正在致力于阐明神经细胞、神经突触和神经网络可塑性的生物物理机制。我们特别感兴趣用那些创造性的新技术和新方法进行准确无误的实验，从而去认识可塑性在功能联系和生物行为方面的规则。我们还将检测这些规则在不同功能水平上（从突触到网络）的相互关系。我们相信，这种整体化的研究方法最终将呈现神经可塑性的完整框架。

对神经元进行直接操作的细胞培养系统

我们已经建立起一套成熟的细胞培养系统，使我们能将分离出的神经元在细胞培养皿里进行培育并对神经元进行直接观察。培养中的神经元自动聚集装配形成功能性网络，从而使我们接触观察到类似于在体的神经可塑性现象。这样的细胞培养体系也用于基因转染，为研究不同基因的作用提供一个短暂的孵育环境。最值得一提的优点是：培养的细胞可以被直接观察，检测以及进行其它操作处理，而不需要额外的解剖程序，这对于可塑性研究，也许是最方便的实验前准备。

突触染色和功能图像

本实验室合并使用多种染色和动态影像技术，对突触进行定位并以此反映突触的功能状态。FM1-43和FM4-64两种染料几乎用于所有的实验，它们不仅可以反映神经元或神经网络中是否存在有功能的突触，而且还可以提供某些指标反映突触功能的强弱。此外，通过这些染料的交叉使用还能观察突触的活动。最近与人合作，我们拥有了一种新的染色分子，它能更好地对突触功能进行化验检查。上述方法与钙-荧光和免疫印染技术相结合，在视觉上为实验人员提供了突触是否存在于培养的神经元或神经网络中最直接的证据。

刺激并记录单突触活动

突触研究面临的主要挑战是如何区别所观察到的突触效应由突触前因素引起还是由突触后因素引起。相当多的实验室都在致力于寻找一种能直接控制突触一侧行为的方法。对于突触前行为，我们采用人工神经末稍进行替换。由电离子透入法形成的优化组合，将神经递质的特殊作用直接递送到单个突触。

石英微电极管被自动地放置在单个突触旁（由上述染色法定位的突触），通过施加一个弱钳制电压保持被递送物质处在石英微电极管里。特殊的放大器和运行软件将电离子流从微电极管施加给注射加药器，从而完全模拟了与突触传递时间相仿的药物传送时程。膜片钳的记录电极放在接收细胞旁记录模拟突触前释放引起的所有突触后电活动。这种用人工神经末梢有效替换突触前膜活动的方法，使研究者能对每次突触释放后的突触后膜效应进行研究。

树突的功能图谱

目前我们所使用的技术之一提供了有关神经元树突功能的完整描述。用FM1-43标记有功能的突触之后，计算机自动程序驱动机械操纵杆引导电离子透析管靠近突触的位置。在施加电离脉冲的同时，用膜片钳记录突触后神经元的活动,由此反映单个突触功能的强弱。这样一来，在大约5分钟以后，多个突触的树突丛将被精确地绘制，从而提供以某一神经元为中心的多突触相互作用的相关信息。

共聚焦和光子显微镜

我们试图用最好的光学仪器对培育中的神经元进行直接视觉观察。本实验室拥有三台多层次共聚焦显微镜，这为我们提供了神经元的高分辨图像，以及在给予刺激和记录时为我们提供高分辨率的荧光标记。本实验室最近还获得了一台光子显微镜和高分辨率的数码录像机，能快速真实地记录神经网络的活动。

对培养细胞和动物模型实施基因技术

我们还有全套设备用于细胞转染，将目的基因导入培养细胞，接近50%的培养细胞可以被成功转染。同时也要感谢Susumu Toneawa 教授的合作，它使我们能够通过小鼠过度表达某基因或使某一基因缺失在生理和行为水平上对突触可塑性进行在体研究。

计算分析和生物模型的建立

本实验室不同寻常的是，从事生物实验的几个学生具有计算学方面的背景。组里有好几个成员拥有计算机和工程学学位，我们仍然希望能够吸引更多这方面的人才。正在起步的建模研究目前致力于预测单突触递质释放、结合的动力学特征，而其它的模型正在寻求控制突触输入动态平衡的方程式。在接下来的几年，随着神经网络培育技术的成熟，我们特别希望获得数学上的定量分析。为这样一个目标，我们正在和理论神经生物学Seung博士实验室的学生们合作。

多电极排管--观察培养的神经网络

本实验室的一套设备是64-通道的多电极排管，它支持对多个培养神经元同时进行记录并诱发神经元的电活动。这套系统可以与膜片钳，电离子管和视觉观察设备联合使用。商业软件允许实时地深入地分析神经网络的活动，而刺激程序则能对系统所观察到的现象自动产生反应。我们已经着手在孵箱内开发这套系统，从而使可观察研究的存活细胞从几小时扩展到几天。

讲座2: 前额叶皮层和认知控制的神经基础

我们的研究兴趣是与自主有意识行为神经机制相关的中枢部分。许多工作都直接指向前额叶皮层，这是一个与高级认知功能相联系的大脑区域。我们将成熟的行为学方法和检测神经元功能活动的技术结合起来。

前额叶皮层，位于大脑前端的皮层区域，长久以来被认为在协调复杂思维和行为方面扮演着重要角色。它的功能障碍似乎导致大脑执行能力的丧失。它破坏我们集中注意力的能力，破坏对重要信息的记忆能力，破坏行为计划能力和对冲动的控制能力。

我们实验室的研究结果提示前额叶皮层提供了快速合成各种信息的结构基础。它的主要功能也许是获取和执行“游戏规则”的内在指示，以达到指定情况下的指定目标。这对于在灵长类观察到的复杂而精细的行为打下基础，而在灵长类动物前额叶皮层结构着实最为精细。

讲座3: 海马的记忆形成和睡眠作用

Wilson 实验室集中研究哺乳动物跨神经元群的信息表现,以及行动自主动物记忆分布的形成和维持机制。为了研究这些过程的基础，本实验室联合使用分子生物学、电生理学、药理学、行为学和计算学的方法。通过使用这些技术对行动自主动物脑区的大量神经元的同步活动进行检测。本实验室检测位置记忆和事件记忆是如何在海马神经网络中被编码的。大脑的海马部分早已被认为是学习和记忆过程的基础。

对清醒、行动自主动物进行的学习和记忆研究导致了对睡眠性质和睡眠在记忆中所起作用的探索。过去的理论认为睡眠状态可能包含于记忆的巩固过程，在此过程中记忆由短时程记忆转为长时程记忆并重新组织为更有效的形式。最近的证据显示梦中行为被恢复时，海马区的全体神经元已被激活。通过对这些状态的重组，特殊记忆在加强巩固中留下印记。

讲座4:学习运动技能内在模式的建立

这一讲，我将讨论一个关于中枢神经系统如何表现和解决运动控制中基本计算学问题的新观点。我将特别讨论一个有计划的肢体运动如何被转换成一套足够强大的运动指令。为了完成这一任务，中枢神经系统必须解决一个复杂的反转动力学问题。这个问题包括从渴望运动转换到肢体运动的驱动力。这个反转动力学问题对计算是一个困难的挑战，因为这需要涉及到肢体多个节段的调整、不断变化的肢体机械运动特点的调整以及肢体所接触的外界环境的调整。大量关于运动知识的研究支持这样一个观点：中枢神经系统为了处理反转动力学的复杂性，它创造、更新和开发了肢体动力学的内在表现。在这一讲里，我将讨论这些内在表现如何被脊髓里的初级模块和高位脑结构里的积木共同构建。通过脊髓麻醉的青蛙和大鼠，实验得出结论：脊髓里的前运动环路被组装成一套离散的模块。每个模块被激活时产生一个特殊的力量场，与此同时激活更多的模块从而导致相应区域的矢量组合。我认为这些力量场是可以被中枢神经系统利用的原始计算部位，并由此产生具有强大力量的运动行为。

讲座5: 看一看：大脑如何选择物体并引导眼球运动

研究目的

明确视觉是如何经大脑处理以及视觉引导下的眼球运动是如何产生的。

方法

Schiller实验室应用的方法是：

对非人类灵长动物进行生理研究时，我们使用单细胞记录、微刺激、药理学处理、和组织灭活切除。
对正常人、脑梗塞病人和非人类灵长动物进行行为学研究时，主要检测视觉能力和眼球的运动能力。

讲座6:大脑如何进行自身的信息传递

发育中大脑皮层和成熟大脑皮层的可塑性及动力学

可塑性或大脑对输入信号的适应性反应，对于大脑的发育和功能都是必须的。发育中的大脑不仅需要遗传蓝本，而且对环境也能作出应急反应。成熟的大脑对刺激改变产生适应，这种可塑性不仅是学习和记忆的一种表现，也是信息传递和处理过程中的动力学改变。我们的目的是搞清楚发育中大脑皮层和成熟大脑皮层网络长时程可塑性和短时程动力学的有关情况。