Informácie

Existujú neuróny, ktoré môžu vnímať svetlo žiariace v ušiach?

Existujú neuróny, ktoré môžu vnímať svetlo žiariace v ušiach?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Poznám niekoho, kto si kúpil slúchadlá, ktoré vám v ušiach svietia. Podľa toho, čo mu bolo povedané, existujú neuróny, ktoré vnímajú svetlo a potom sa pri aktivácii cítite bdelí, čo mi pripadalo ako hadí olej. Epifýza môže zrejme cítiť svetlo a vylučuje melatonín - hormón regulujúci spánok. Stále som však skeptický, pretože vám uviazol v strede mozgu. Mohli by mať žiarivé svetlá v ušiach nejaký vplyv na to, ako sa cítite bdelí?


Pokiaľ viem, nie je známy žiadny mechanizmus na detekciu svetla cez uši u ľudí. Je určite pravda, že epifýza je súčasťou systému, ktorý reguluje cirkadiánny rytmus (stručne, denný cyklus spánok-bdenie). Avšak zatiaľ čo epifýza u vtákov a iných ne cicavčích stavovcov je priamo citlivá na svetlo, epifýza cicavcov nie je (pozri prehľad, Doyle a Menaker, 2007 a Csernus, 2006).

U všetkých zvierat je cirkadiánny rytmus regulovaný fotoperiodickým signálom, a preto vyžaduje detekciu svetla. U cicavcov sa svetelné senzory nachádzajú výlučne v sietnici, zmyslovej časti oka. V sietnici existujú dve triedy buniek detegujúcich svetlo. Najprv tyčové a kužeľové fotoreceptory sprostredkujú videnie v obvyklom zmysle slova. Tieto bunky obsahujú proteíny nazývané opsíny, ktoré absorbujú fotóny svetla a tým excitujú fotoreceptory, ktoré ich obsahujú, čím informujú mozog, že svetlo bolo detekované.

Druhá trieda fotosenzitívnych buniek v sietnici sa nazýva vnútorne fotosenzitívne retinálne gangliové bunky (ipRGC) (prehľad pozri Do a Yau, 2010). Tieto bunky sprostredkúvajú videnie „nevytvárajúce obraz“ a sú dôležitou súčasťou dráhy cirkadiánneho rytmu. Obsahujú tiež opsín tzv melanopsín čo je fotocitlivý pigment. To si nemožno zamieňať s melatonín, čo je hormón spánku uvoľňovaný epifýzou. IpRGC v sietnici posielajú fotoperiodický signál do oblasti mozgu nazývanej suprachiasmatické jadro (SCN). SCN potom signalizuje epifýze.

Ak budeme veľkorysí a predpokladáme, že tieto svetlo vyžarujúce slúchadlá sú výsledkom nedorozumení, môžeme hádať, že zmätok vyplýva z (1) skutočnosti, že niektoré zvieratá majú priamo fotosenzitívnu epifýzu, ale nie cicavce, a (2) že epifýza vylučuje melatonín, ale nie fotosenzitívny pigment melanopsín.


Aktualizovať: Z trochy výskumu vyplýva, že spoločnosť predávajúca slúchadlá nie je „zmätená“, ako som slušne ponúkol. Myslím si, že táto stránka nie je vhodným fórom na vyvrátenie ich výskumu alebo tvrdení. Stačí povedať, že sietnica je jedinou časťou ľudského mozgu, ktorá sa ukázala ako fotosenzitívna.


Verím, že v koži sú svetelné senzory (TRPV3) pre infračervené svetlo (teplo), ktoré prenášajú tieto informácie z kože späť do mozgu. Toto je druh detekcie svetla, ale nie je to priama detekcia ako rodopsíny v oku.

Mimochodom, bez prenosu informácií do neurónov majú bunky pravdepodobne veľa senzorov, ktoré môžu použiť na reakciu na svoje miestne prostredie. Tento nedávny článok hovorí o tom, ako sa v pľúcnych a črevných bunkách nachádzajú čuchové receptory. Je teda celkom možné, že konvenčné gény detegujúce svetlo (rodopsíny) by sa našli v kožných bunkách, ale nemusia sprostredkovať informácie neurónom.


Svetlo na optogenetiku a epilepsiu

Mozgové bunky sú známe ako neuróny a zvyčajne nie sú vystavené svetlu (nachádzajú sa vo vašej hlave), takže naň nie sú obzvlášť citlivé. Áno, príliš veľa horúceho svetla by ich mohlo spáliť, ak by im boli vystavené, ale neuróny zvyčajne prijímajú informácie iba prostredníctvom špecializovaných zmyslových orgánov, ako sú oči a uši. Ako sa teda týmto šikovným vedcom z Kalifornie podarilo prinútiť neuróny, aby si robili svoju vôľu tým, že im posvietili?

Ukazuje sa, že v jazerách sa nachádzajú veľmi staré mikroskopické riasy, u ktorých sa vyvinula schopnosť vzdialiť sa od priameho slnečného žiarenia, aby ich teplo generované svetlom nepoškodilo. Robia to tak, že do svojich membrán umiestnia malé kanály, ktoré sa otvoria, keď cítia svetlo. Kanály prepúšťajú ióny, čo v zásade umožňuje prúdeniu elektrického prúdu do bunky. Tento elektrický prúd potom spôsobí, že bičíky (nohy malých rias) kopnú a riasy sa hýbu. Neuróny fungujú podobným spôsobom v tom, že majú vo svojich membránach aj kanály, ktoré sa otvárajú a prepúšťajú nimi elektrické prúdy. Napríklad, keď sa neurotransmiter pripojí k neurónu, otvorí jeho membránové kanály a aktivuje mozgovú bunku. Vedcom sa podarilo dosiahnuť, aby neuróny exprimovali tieto špeciálne membránové kanály z rias. Keď im bolo ukázané svetlo, aktivovalo to neuróny, bez potreby chemikálií alebo nejakého druhu elektrického šoku, čo boli vtedy štandardné spôsoby aktivácie buniek.

Skutočnou výhodou toho je, že prišiel v čase, keď genetické technológie urobili veľký pokrok. V laboratóriu existuje veľa experimentálnych modelov epilepsie, ktoré sa používajú na testovanie nových liečebných postupov a pochopenie mechanizmov vzniku záchvatov. Mozog sa skladá z miliónov mozgových buniek a existuje množstvo typov neurónov. Existujú veľké i malé, niektoré majú tvar pyramídy a niektoré vyzerajú ako drobné zrnká, iné sú veľké a pod mikroskopom pôsobia ako stromy dažďového pralesa so stovkami konárov. Ďalšou veľmi zaujímavou vlastnosťou je, že niektoré mozgové bunky vzrušujú iné neuróny, keď uvoľňujú svoje neurotransmitery, zatiaľ čo niektoré inhibujú svojich susedov a zastavujú ich aktivitu. Toto je kritická vlastnosť pri epilepsii, pretože sa verí, že niekedy je pri záchvatoch príliš veľa excitácie a nedostatočná inhibícia. V každom prípade môžeme tieto rôzne typy neurónov oddeliť podľa génov, ktoré exprimujú, a vďaka tomu existujú technológie, ktoré nám umožňujú meniť gény len v špecifických bunkách, ktoré chceme zmeniť.

To je presne to, čo vedci urobili v príspevku! Pridali gén pre riasy, ktorý vytvára svetlocitlivé membránové kanály, k špecifickým typom buniek v kôre experimentálneho mozgu, pričom túto techniku ​​nazývali „optogenetika“, pretože potom boli schopní opticky ovládať svetelné geneticky definované neuróny. Potom umiestnili elektródu, podobne ako EEG, na kôru mozgu experimentálneho modelu, aby zaznamenali aktivitu. Zdravý mozog zobrazuje elektrické signály, ktoré sú spojené s rôznymi typmi správania, ako je spánok, pohyb a pamäť. To, čo potom začali robiť, bolo zmeniť aktivitu rôznych typov buniek zapnutím a vypnutím svetla namiereného na kôru mozgu a prekvapivo im to umožnilo zistiť, ako rôzne bunky prispeli k rôznym elektrickým vzorcom, ktoré videli.

Optogenetika spôsobila revolúciu v neurovedeckom výskume a za posledné desaťročie sa táto technika stala štandardným nástrojom vo fyziologických laboratóriách na celom svete, ktoré sa snažia pochopiť, ako funguje mozog.

V oblasti epilepsie vedci publikovali práce, kde aktiváciou špecifických buniek svetlom dokázali blokovať záchvaty v experimentálnych modeloch 2, 3, čím sa zlepšilo naše chápanie toho, ako záchvaty vznikajú, pretože aktiváciou určitých buniek boli záchvaty pravdepodobnejšie 4 a nové modely epilepsie boli vytvorené nadmernou stimuláciou buniek svetlom 5. Počas môjho pobytu v ERUK bolo cieľom použiť optogenetiku na nájdenie ešte účinnejších typov buniek na aktiváciu, na zablokovanie záchvatov pri epilepsii temporálneho laloku. Keď využívame svoje rastúce znalosti o obvodoch mozgových buniek, sme schopní myslieť na najlepšie možné klinické intervencie.

Optogenetika podnietila vynález nových technológií, ktoré sa podobným spôsobom špecificky zameriavajú na určité typy buniek, aj keď namiesto svetla s inými stimulmi. Medzi príklady patrí „ultrazvuková genetika 6“ alebo „magneto genetika 7“, kde konkrétne typy buniek exprimujú membránové kanály citlivé na ultrazvuk a magnetickú stimuláciu, ktoré môžu prechádzať lebkou, a preto je možné neuróny stimulovať zariadeniami mimo hlavy. Podobne „chemogenetika 8 “ využíva lieky, ktoré sa zameriavajú iba na mozgové bunky, ktoré umelo exprimujú receptory pre tento liek.

Verím, že tieto prístupy, ktoré sú menej invazívne, pretože by nevyžadovali implantáciu svetelného zdroja do mozgu pacienta, sa v budúcnosti budú s väčšou pravdepodobnosťou používať ako liečba.

Skutočným problémom je geneticky modifikovať bunky v mozgu pacienta. Počiatočné kroky na dosiahnutie tohto cieľa sa však už uskutočňujú, pričom v prebiehajúcej nedávnej klinickej štúdii sa gény, ktoré znižujú aktivitu mozgových buniek, vkladajú do oblastí generujúcich záchvaty u pacientov s veľmi ťažko liečiteľnými typmi epilepsie. Ďalej sa ako účinná liečba osvedčila hlboká mozgová stimulácia, kde je elektróda implantovaná do mozgu a elektricky stimuluje iba malú oblasť na blokovanie záchvatov 9.

Tieto rôzne stratégie špecificky zamerané na oblasti mozgu a typy buniek ponúkajú potenciálne výhody v porovnaní so štandardnou liečbou, ako sú lieky a chirurgické zákroky na odstránenie epileptických oblastí mozgu, pretože môžu byť účinnejšie a môžu mať menej nepriaznivých účinkov na iné faktory kvality života, ako napr. pamäť, reč a pohyb. Predklinickí výskumníci v oblasti epilepsie, ktorí pracujú na modeloch epilepsie, ako som ja, bežne používajú nástroje, ako je optogenetika, aby prehĺbili naše pochopenie toho, ako záchvaty vznikajú, a použili tieto poznatky na identifikáciu nových terapeutických cieľov mozgových buniek, ktoré by mohli mať silný vplyv na záchvaty. Potom spolupracujeme s klinickými lekármi, aby sme sa pokúsili implementovať tieto zistenia a pomohli pacientom s epilepsiou. Dúfajme, že budúcnosť bude jasnejšia a jasnejšia.


Vedci dekódujú, ako mozog vníma vôňu

Vedci ďalej dekódovali, ako mozgy cicavcov vnímajú pachy a rozlišujú jeden zápach od tisícov ostatných.

Pri pokusoch na myšiach vedci z NYU Grossmanovej lekárskej fakulty prvýkrát vytvorili elektrický podpis, ktorý je vnímaný ako zápach v mozgovom centre na spracovanie pachov, čuchovej žiarovke, napriek tomu, že zápach neexistuje.

Pretože signál simulujúci zápach bol vyrobený človekom, výskumníci mohli manipulovať s načasovaním a poradím súvisiacej nervovej signalizácie a identifikovať, ktoré zmeny boli najdôležitejšie pre schopnosť myší presne identifikovať „syntetický zápach“.

„Dekódovanie toho, ako mozog rozlišuje pachy, je sčasti komplikované, pretože na rozdiel od iných zmyslov, ako je zrak, ešte nepoznáme najdôležitejšie aspekty jednotlivých pachov,“ hovorí vedúci výskumník Edmund Chong, MS, doktorand na NYU Langone Health. „Napríklad pri rozpoznávaní tváre mozog dokáže rozpoznať ľudí na základe vizuálnych podnetov, akými sú napríklad oči, a to aj bez toho, aby niekomu videl nos a uši,“ hovorí Chong. "Tieto rozlišovacie znaky, ako ich zaznamenal mozog, sa však ešte museli nájsť pre každý zápach."

Aktuálne výsledky štúdie, publikované online v časopise Veda 18. júna, centrum na čuchovej žiarovke, ktorá je u zvierat a ľudí za nosom. Predchádzajúce štúdie ukázali, že molekuly vo vzduchu spojené s vôňami spúšťajú receptorové bunky lemujúce nos a vysielajú elektrické signály do zväzkov nervových zakončení v žiarovke nazývanej glomeruly a potom do mozgových buniek (neurónov).

Vedci tvrdia, že načasovanie a poradie aktivácie glomerulov sú jedinečné pre každý pach, pričom signály sa potom prenášajú do mozgovej kôry, ktorá riadi, ako zviera vníma vôňu, ako na ňu reaguje a ako si ju pamätá. Pretože sa však vône môžu v priebehu času líšiť a miešať sa s inými, vedci sa doteraz snažili presne vysledovať jeden podpis vône naprieč niekoľkými druhmi neurónov.

Pre novú štúdiu vedci navrhli experimenty založené na dostupnosti myší geneticky upravených v inom laboratóriu tak, aby ich mozgové bunky mohli byť aktivované ich osvetlením - technika nazývaná optogenetika. Potom myši vycvičili, aby rozpoznali signál generovaný svetelnou aktiváciou šiestich glomerulov - známych tým, že pripomínajú vzor vyvolaný zápachom - tým, že im poskytnú vodnú odmenu, iba ak vnímajú správny „zápach“ a stlačili páku.

Ak myši po aktivácii inej sady glomerulov (simulácia iného zápachu) zatlačili na páku, nedostali žiadnu vodu. Pomocou tohto modelu výskumníci zmenili načasovanie a zmes aktivovaných glomerulov, pričom si všimli, ako každá zmena ovplyvnila vnímanie myši, čo sa odráža v správaní: presnosť, s akou pôsobila na signál syntetického zápachu, aby získala odmenu.

Konkrétne výskumníci zistili, že zmena toho, ktoré glomeruly v rámci každého súboru definujúceho zápach boli aktivované ako prvé, viedla až k 30-percentnému poklesu schopnosti myši správne vnímať pachový signál a získať vodu. Zmeny v posledných glomerulách v každom súbore prišli s iba 5 -percentným poklesom presného vnímania zápachu.

Načasovanie aktivácií glomerulov fungovalo spoločne „ako noty v melódii“, tvrdia vedci, s oneskorením alebo prerušením raných „nôt“ degradujúcich presnosť. Prísna kontrola v ich modeli nad tým, kedy, koľko a ktoré receptory a glomeruly boli aktivované u myší, umožnila tímu preskúmať mnoho premenných a identifikovať, ktoré pachové vlastnosti vynikli.

„Teraz, keď máme model na načasovanie a poradie aktivácie glomerulov, môžeme preskúmať minimálny počet a druh receptorov, ktoré čuchová žiarovka potrebuje na identifikáciu konkrétneho zápachu,“ hovorí vedúci výskumu a neurobiológ štúdie Dmitry Rinberg, PhD. .

Rinberg, docent na NYU Langone a jeho Neuroscience Institute, hovorí, že je známe, že ľudský nos má asi 350 rôznych druhov pachových receptorov, zatiaľ čo myší, ktorých čuch je oveľa špecializovanejší, ich má viac ako 1 200.

„Naše výsledky po prvýkrát identifikujú kód toho, ako mozog premieňa zmyslové informácie na vnímanie niečoho, v tomto prípade zápachu,“ dodáva Rinberg. "To nás posúva bližšie k odpovedi na dlhodobú otázku v našom odbore, ako mozog extrahuje zmyslové informácie, aby vyvolal správanie."

Finančnú podporu na štúdiu poskytol grant Národného inštitútu zdravia R01 NS109961.

Okrem Chonga a Rinberga sú do tejto štúdie zapojení ďalší vedci z NYU Christopher Wilson, PhD a Shy Shoham, PhD. Ďalšími spoluriešiteľmi štúdie sú Monica Moroni, PhD a Stefano Panzeri, PhD, na Instituto Italiano di Tecnologia, Rovereto, Taliansko.


Svieti na 100-ročné tajomstvo vtákov vnímajúcich jar pre potomstvo

Toto je fotografia japonskej prepelice. Poďakovanie: Takashi Yoshimura, ITbM, Univerzita Nagoya

Profesor Takashi Yoshimura a kolegovia z Inštitútu transformačných biomolekúl (WPI-ITbM) z Nagoyskej univerzity konečne našli chýbajúci kúsok v tom, ako vtáky vnímajú svetlo, identifikovaním hlbokého mozgového fotoreceptora u japonských prepelíc, ​​v ktorom receptor priamo reaguje na svetlo. a kontroluje sezónnu chovnú aktivitu. Hoci je už viac ako 100 rokov známe, že stavovce okrem cicavcov detegujú svetlo hlboko vo svojom mozgu, skutočná povaha kľúčového fotoreceptora zostáva až doteraz záhadou. Táto štúdia vedená profesorom Yoshimurou odhalila, že nervové bunky existujúce hlboko v mozgoch prepelíc, ​​nazývané neuróny kontaktujúce cerebrospinálny mok (CSF), reagujú priamo na svetlo. Jeho štúdie tiež ukázali, že tieto neuróny sa podieľajú na zisťovaní príchodu jari a tým regulujú chovné aktivity u vtákov. Štúdia publikovaná online 7. júla 2014 v Súčasná biológia Očakáva sa, že prispeje k zlepšeniu produkcie zvierat spolu s prehĺbením nášho chápania evolúcie očí a fotoreceptorov.

Mnohé organizmy okrem tých, ktoré žijú v trópoch, používajú zmeny dĺžky dňa (fotoperiódu) ako svoj kalendár na prispôsobenie sa sezónnym zmenám v prostredí. Aby sa zvieratá prispôsobili, menia svoju fyziológiu a správanie, ako je rast, metabolizmus, imunitná funkcia a reprodukčná aktivita. „Mechanizmus sezónneho rozmnožovania bol predmetom rozsiahlych štúdií, ktoré sú regulované fotoperiódou,“ hovorí profesor Yoshimura, ktorý štúdiu viedol, „malé cicavce a vtáky majú tendenciu sa rozmnožovať na jar a v lete, keď je podnebie teplé a keď je dostatočná potrava na kŕmenie ich mladých potomkov, “pokračuje. Aby sa chovali v tejto konkrétnej sezóne, zvieratá v skutočnosti vnímajú zmeny ročných období na základe zmien v dĺžke dňa. "Ako cieľ sme si vybrali prepelice, pretože vykazujú rýchle a robustné fotoperiodické reakcie. Sú v rovnakej rodine bažantov ako kohúty a majú podobné vlastnosti. Za zmienku tiež stojí, že Toyohashi pri Nagoji je výrobcom prepeličiek číslo jedna v Japonsko,“ vysvetľuje profesor Yoshimura. Reprodukčné orgány prepelíc majú po celý rok malé rozmery a vyvíjajú sa iba počas krátkeho obdobia rozmnožovania, pričom za dva týždne sa stanú viac ako stonásobkom svojej obvyklej veľkosti.

Neuróny kontaktujúce CSF nemajú vonkajšie segmenty prítomné v tyčinkových bunkách sietnice oka, ale majú mihalnice rovnakým spôsobom ako zrakové bunky. Kredit: ITbM, Univerzita Nagoya

U väčšiny cicavcov vrátane ľudí sú oči výlučným fotoreceptorovým orgánom. Rodopsín a proteíny rodiny rodopsínu v našich očiach detegujú svetlo a bez našich očí nie sme schopní svetlo detekovať. Na druhej strane stavovce okrem cicavcov dostávajú svetlo priamo do mozgu a vnímajú zmeny v dĺžke dňa. Napríklad vtáky sú schopné detekovať svetlo, aj keď majú zaviazané oči. Aj keď je táto skutočnosť známa už mnoho rokov, fotoreceptor, ktorý túto úlohu preberá, ešte nebol objasnený. "Už v predchádzajúcich štúdiách hlásených v roku 2010 (PNAS) sme odhalili, že v hypotalame prepelíc v mozgu existuje fotoreceptívny proteín Opsin-5," hovorí profesor Yoshimura. Tento proteín Opsin-5 bol exprimovaný v neurónoch kontaktujúcich CSF, ktoré vyčnievajú smerom k tretej komore mozgu. "Neexistoval však žiadny priamy dôkaz, ktorý by ukázal, že neuróny kontaktujúce CSF detegovali svetlo priamo a rozhodli sme sa to preskúmať," hovorí profesor Yoshimura.

Yoshimurova skupina použila techniku ​​patch-clamp pre mozgové rezy, aby preskúmala svetelné reakcie (akčný potenciál) neurónov kontaktujúcich CSF. V dôsledku toho sa zistilo, že bunky boli aktivované po ožiarení svetlom. "Aj keď boli aktivity neurotransmiterov inhibované, reakcia neurónov kontaktujúcich CSF na svetlo sa nezmenšila, čo naznačuje, že priamo reagovali na svetlo," hovorí profesor Yoshimura vzrušene. Okrem toho, keď bola použitá metóda interferencie RNA na inhibíciu aktivity proteínu Opsin-5 exprimovaného v neurónoch, ktoré sú v kontakte s CSF, bola inhibovaná sekrécia hormónu stimulujúceho štítnu žľazu z pars tuberalis hypofýzy. Hormón stimulujúci štítnu žľazu, takzvaný „hormón vyvolávajúci jar“, stimuluje ďalší hormón, ktorý u vtákov spúšťa jarný chov. „Dokázali sme dokázať, že neuróny kontaktujúce CSF priamo reagujú na svetlo a sú kľúčovými fotoreceptormi, ktoré riadia chovateľskú aktivitu u zvierat, čo mnohí biológovia hľadajú viac ako 100 rokov,“ vysvetľuje profesor Yoshimura.

Existuje mnoho teórií o úlohe neurónov kontaktujúcich CSF v reakcii na svetlo. "Naše štúdie odhalili, že tieto neuróny sú v skutočnosti fotoreceptory pracujúce hlboko vo vnútri mozgu vtáka. Keďže oči sú generované ako výčnelok tretej komory, neuróny prichádzajúce do kontaktu s CSF exprimujúce Opsin-5 možno považovať za orgán predkov, ktorý zdieľa rovnakého pôvodu ako zrakové bunky očí. Opsin-5 existuje aj u ľudí a veríme, že tento výskum prispeje k poznaniu toho, ako zvieratá regulujú svoje biologické hodiny, a k nájdeniu účinných biomolekúl, ktoré môžu ovládať vnímanie ročných období, “ hovorí profesor Yoshimura. Snaha profesora Yoshimuru objasniť, ako zvieratá merajú čas, pokračuje.


Senzorický klam: Laboratórne myši dokážu „vycítiť“ svetlo

Vedci vystavili mozgy špeciálne upravených laboratórnych myší pulzom svetla a videli mozgové bunky reagovať, ako keby ich spustil zápach. Výskum by sa dal aplikovať na choroby vrátane Alzheimerovej a Parkinsonovej choroby. Eric Isselee/iStockphoto.com skryť titulok

Vedci začínajú vďaka niektorým výnimočným myšiam presne chápať, ako náš mozog rozlišuje jeden zápach od druhého.

Tieto myši môžu „cítiť“ svetlo.

Je to možné, pretože ich mozgy obsahujú bunky, ktoré boli geneticky zmenené tak, aby reagovali na svetlo, ako keby to bol zápach. Je to všetko súčasť oblasti nazývanej optogenetika, ktorá pomáha výskumníkom pochopiť mozgové okruhy zapojené do všetkého od Alzheimerovej choroby po Parkinsonovu chorobu a mohla by viesť k lepšej liečbe.

Optogenetika umožňuje vedcom „aktivovať akékoľvek konkrétne neuróny, ktoré si vyberiete, iba žiarením svetla,“ hovorí Venkatesh Murthy, profesor molekulárnej a bunkovej biológie na Harvarde.

Murthy a ďalší výskumníci z Harvardu a Cold Spring Harbor Laboratory použili túto techniku ​​na preskúmanie jednej konkrétnej črty nášho čuchu.

"Povedzme, že existujú tri druhy citrusových plodov," hovorí Murthy. „Máte pomaranč, limetku a citrón. Ak ste naozaj opatrní, každé z nich odlíšite len podľa vône. Môžete však tiež povedať, že sú si podobné.“

Vystavením mozgu geneticky upravených myší pulzom svetla boli vedci schopní hľadať vzory, ktoré by mohli vysvetliť, ako mozog rozlišuje jeden zápach od druhého. Očakávali, že zistia, že mozgové bunky reagujúce na jeden citrusový zápach, ako je pomaranč, sú fyzicky blízko tým, ktoré reagujú na limetku a citrón, hovorí Murthy.

Súvisiace príbehy NPR

Ale ich experimenty využívajúce svetlo ukázali, že nezáleží len na tom, kde sú neuróny. Záležalo na tom, keď rôzne neuróny reagovali na zápach vyžarovaním elektrického signálu.

"Môžete nájsť neuróny, ktoré vyžarujú hneď na začiatku," hovorí Murthy. „Ďalší vyžaruje o niečo neskôr.“

A zdá sa, že načasovanie týchto emisií zohráva veľkú úlohu v tom, ako myši a ľudia rozlišujú jeden zápach od druhého, podľa štúdie, ktorú Murthy a jeho kolegovia publikovali v časopise. Neuroveda o prírode.

Tento druh výskumu by mal pomôcť vyriešiť aj iné čuchové záhady, hovorí Murthy, napríklad ako sú pachy spojené so spomienkami a emóciami. A hovorí, že nová schopnosť umiestniť svetlocitlivé bunky takmer kdekoľvek môže pomôcť ľuďom, ktorí majú choroby postihujúce sietnicu.

„Vaše fotoreceptory zdegenerovali, ale vaše oko je inak úplne v poriadku,“ hovorí Murthy. „Ľudia teda pracujú na vložení týchto svetlocitlivých bielkovín do tých prežívajúcich buniek. To vám umožní detekovať svetlo.“

A to je len jedno potenciálne využitie optogenetiky, ktorá existuje menej ako desaťročie. Stovky laboratórií na celom svete používajú túto techniku ​​na ovládanie všetkých druhov mozgových obvodov.

„Ak pochopíte, ako rôzne obvody fungujú na pamäť, depresiu alebo motorické problémy, môžete sa zoznámiť s tým, ako s týmito obvodmi zaobchádzať sofistikovanejšie,“ hovorí Dylan Clyne, výskumník, ktorý sa podieľal na niektorých z prvých experimentov s optogenetikou na Yale.


Serotonín reguluje citlivosť mozgových buniek zapojených do sluchu

Možno ste už počuli o serotoníne, chemickej látke nachádzajúcej sa v celom mozgu, ktorá reguluje množstvo duševných stavov, ako je nálada, chuť do jedla a bdelosť. Keď ho máme dostatok, máme celkový pocit pohody a šťastia. Keď sa nám to kráti, môžeme zažiť depresiu.

Nace Golding, neurovedec z University of Texas v Austine, a jeho tím boli prekvapení, keď zistili, že serotonín reguluje aj citlivosť sluchových neurónov, mozgových buniek zapojených do sluchu. Čím je neurón citlivejší, tým je väčšia pravdepodobnosť, že vystrelí po prijatí signálov od iných neurónov. Keď sú hladiny serotonínu nízke, sluchové neuróny sú menej citlivé a naopak.

„Serotonín ovplyvňuje oblasť bunky, kde sa generujú elektrické impulzy, a funguje ako termostat, pričom mení citlivosť neurónu na aktivitu jeho vstupov, takže môže byť viac -menej selektívny v tom, aké signály prepúšťa, “hovorí Golding.

Tento objav je zaujímavý, ale prináša širšie otázky. Má serotonín rovnaký účinok na iné typy neurónov? Ovplyvňuje serotonín sluch u ľudí s depresiou (ktorí majú nižšie hladiny serotonínu)?

Golding poznamenáva, že typ serotonínového receptora, ktorý skúmali, je najbežnejším podtypom nachádzajúcim sa v mozgu a je cieľom mnohých antidepresív. Čo vyvoláva ešte jednu zaujímavú otázku: Má serotonín vplyv na sluch u ľudí užívajúcich antidepresíva?

Vedci urobili objav v živom mozgovom tkanive z pieskomilov. Jedna technika im umožnila posielať elektrické signály jednotlivým neurónom a zaznamenávať ich elektrické výstupy. V inej technike pridali do mozgového tkaniva chemické „fotospínače“, ktoré im umožnili modifikovať svoje elektrické vlastnosti jednoduchou zmenou farby svetla, ktoré na ne svieti.

Väčšinu výskumu vykonal Kwang Woo Ko, bývalý postgraduálny študent pracujúci v Goldingovom laboratóriu a hlavný autor súčasnej štúdie. V súčasnosti je na lekárskej fakulte Washingtonskej univerzity v St. Louis.

Ďalšími spoluautormi štúdie sú Matthew Rasband z Baylor University a Richard Kramer a Victor Meseguer z University of California v Berkeley.

Financie na tento výskum poskytol Národný ústav pre hluchotu a iné komunikačné poruchy, Národný ústav neurologických porúch a mŕtvice a Národný očný ústav.


Dokáže váš mozog pochopiť situáciu, ak vás niekto strelí do hlavy? Existuje nejaký čas medzi nárazom a smrťou?

Názov. Možno to bude príliš desivé na to, aby ste tu uverejňovali príspevok. Neviem. Zaujímalo by ma, či má mozog čas niečo spracovať, ak sa úplne zničí, napríklad pri výbuchu alebo tak.

Okamžitá deštrukcia mozgu by sa pravdepodobne nezaregistrovala. Je ťažké povedať to definitívne, ale podľa základnej logiky vidíte, že ak dobre umiestnená rana do hlavy môže niekoho dostať do bezvedomia, potom by vybuchujúci mozog bol v bezvedomí od začiatku. Mozog je tiež veľmi chúlostivý orgán, ktorý pláva vo vnútri tlakového vaku obaleného v kosti a mimo úzkeho rozsahu ideálnych podmienok dobre nefunguje.

V prípade výstrelu by to záviselo od miesta a rozsahu poškodenia. Existuje správa o osobe, ktorá má železničný hrot (pozri: Phineas Gage) v mozgu so zmenami v osobnosti a ovládaní impulzov, ale nie so smrťou.

Myslím si, že vzhľadom na prevalenciu bojových vojakov, ktorí stále častejšie prežívajú traumatické poranenia mozgu, by malo existovať primerané množstvo literatúry. Možno menej o priamych pocitoch a skúsenostiach so zranením, ako skôr o tom, ako ich liečiť/liečiť/rehabilitovať, ale stojí za to pozrieť sa na niekoho tak nakloneného.

Okamžitá deštrukcia mozgu by sa pravdepodobne nezaregistrovala. Je ťažké definitívne povedať,

Okamžité zničenie celé mozog by určite nezaregistrovať sa. Ak vás zabije napríklad bomba a bomba zničí celý váš mozog a čelo výbuchu sa pohybuje rýchlejšie, ako je rýchlosť, ktorou si neuróny môžu navzájom signalizovať na rovnakú vzdialenosť, nebudete mať čas. myslieť na čokoľvek.

S guľkou, áno, časti, ktoré nie sú zničené nad rámec ich schopnosti signalizovať, budú naďalej signalizovať a môžu alebo nemusia byť kvalifikované ako „registrácia“ v závislosti od toho, ktoré časti stále fungujú. (Ak je všetko zničené okrem napr. Vášho sexuálneho apetítu, nezískate skutočne žiadnu „registráciu“ guľky žiadnym zmysluplným spôsobom.)

Stojí za zmienku, že guľky cestujú rýchlejšie ako neurálne signály, takže časti, ktoré sú priamo zasiahnuté, by nemali robiť nič veľmi zaujímavé.

Priemerný reakčný čas človeka, to znamená čas od stimulu k reakcii, ktorú je možné vykonať, je na rýchlom konci 150 milisekúnd pre fyzický podnet a na pomalom konci 250 milisekúnd na vizuálny podnet.

Inými slovami, od okamihu, keď fyzický stimul dosiahne váš mozog, trvá 0,150 sekundy, kým stimul spracuje váš mozog a zaregistruje sa vo vašom vedomí, aby mal funkčnú reakciu.

A. 556 5,56 Kolo NATO vystrelené z M-16 cestuje 2,8-násobkom rýchlosti zvuku. Zo vzdialenosti 100 stôp by potrebovalo 0,556 5,56 zaokrúhlenia 0,0003125 0,03 sekundy na prekonanie tejto vzdialenosti a vyjdenie zadnej časti hlavy. To je 480 5-krát rýchlejšie ako váš čas fyzickej odozvy.

Ak by vás strelili do hlavy zo vzdialenosti 100 stôp, v zásade by ste stratili 1/4 sekundy času pred výstrelom zo zbrane. Než uvidíte streľbu, budete mŕtvi. Ak by ste mali dobrý výhľad na ich spúšťací prst a skrutku na puške, pravdepodobne by ste ich nikdy nevideli stlačiť spúšť a nikdy by ste videli, ako sa skrutka pohybuje. Najrýchlejšie nervové impulzy vo vašom tele prechádzajú vašimi nervami rýchlosťou 200 mph. Menej ako 10% rýchlosti 5,56 kola. Neviem, aká je dĺžka zrakového nervu, ale za predpokladu, že funguje tak rýchlo (pravdepodobne pomalšie) a je dlhý jeden alebo dva palce, nervové signály by po ňom stále putovali, kým na vás guľka dopadne. Signály môžu byť vo vašom mozgu, ale rozhodne nie je dokončené spracovanie.

Toto je príklad s vysokoenergetickým puškovým nábojom, ktorý by vám v podstate zamaskoval mozog hneď, ako sa vás dotkne. Strelné rany do hlavy majú prekvapivo vysokú mieru prežitia 5 %. Myslím si však, že úplné zničenie mozgu je viac v súlade s duchom vašej otázky.

Aj obyčajná tlaková vlna, ktorá cestuje rýchlosťou zvuku, je niekoľkonásobkom rýchlosti, ktorou nervové impulzy prejdú po vašich nervoch, takže môžu priemer vašej lebky prejsť stokrát rýchlejšie, ako je váš reakčný čas.

Výbuchy a výstrely sú rýchle. Ak by ste pri výbuchu stáli pri veľkej bombe, ktorá vám úplne zničí mozog a telo, výbuch by ste nezaregistrovali. Nevideli by ste vybuchnúť bombu, nepočuli by ste cvaknutie poistky ani nič podobné. Explózia cestuje po vašom tele rýchlejšie ako nervové impulzy.

úpravy: Ďakujem cudzincom za opravy! Nie som si istý, čo sa stalo s mojou matematikou. Môj celkový bod stále platí. Pri streľbe zo 100 stôp by guľka opustila vašu hlavu dlho predtým, ako zaregistrujete akýkoľvek stimul. The visual information has a 0.03 second lead time and it's hopeless for your brain to process that as it takes anywhere from 0.1 to 0.25 seconds for visual information.

You don't even have a chance of hearing the gunfire as the bullet travels almost 3 times the speed of sound, the bullet would reach you long before the sound waves reach your ears.


Мозг и пространство

This course is about how the brain creates our sense of spatial location from a variety of sensory and motor sources, and how this spatial sense in turn shapes our cognitive abilities. Knowing where things are is effortless. But “under the hood,” your brain must figure out even the simplest of details about the world around you and your position in it. Recognizing your mother, finding your phone, going to the grocery store, playing the banjo – these require careful sleuthing and coordination across different sensory and motor domains. This course traces the brain’s detective work to create this sense of space and argues that the brain’s spatial focus permeates our cognitive abilities, affecting the way we think and remember. The material in this course is based on a book I've written for a general audience. The book is called "Making Space: How the Brain Knows Where Things Are", and is available from Amazon, Barnes and Noble, or directly from Harvard University Press. The course material overlaps with classes on perception or systems neuroscience, and can be taken either before or after such classes. Dr. Jennifer M. Groh, Ph.D. Professor Psychology & Neuroscience Neurobiology Duke University www.duke.edu/

jmgroh Jennifer M. Groh is interested in how the brain process spatial information in different sensory systems, and how the brain's spatial codes influence other aspects of cognition. She is the author of a recent book entitled "Making Space: How the Brain Knows Where Things Are" (Harvard University Press, fall 2014). Much of her research concerns differences in how the visual and auditory systems encode location, and how vision influences hearing. Her laboratory has demonstrated that neurons in auditory brain regions are sometimes responsive not just to what we hear but also to what direction we are looking and what visual stimuli we can see. These surprising findings challenge the prevailing assumption that the brain’s sensory pathways remain separate and distinct from each other at early stages, and suggest a mechanism for such multi-sensory interactions as lip-reading and ventriloquism (the capture of perceived sound location by a plausible nearby visual stimulus). Dr. Groh has been a professor at Duke University since 2006. She received her undergraduate degree in biology from Princeton University in 1988 before studying neuroscience at the University of Michigan (Master’s, 1990), the University of Pennsylvania (Ph.D., 1993), and Stanford University (postdoctoral, 1994-1997). Dr. Groh has been teaching undergraduate classes on the neural basis of perception and memory for over fifteen years. She is presently a faculty member at the Center for Cognitive Neuroscience and the Duke Institute for Brain Sciences at Duke University. She also holds appointments in the Departments of Neurobiology and Psychology & Neuroscience at Duke. Dr. Groh’s research has been supported by a variety of sources including the John S. Guggenheim Foundation, the National Institutes of Health, the National Science Foundation, and the Office of Naval Research Young Investigator Program, the McKnight Endowment Fund for Neuroscience, the John Merck Scholars Program, the EJLB Foundation, the Alfred P. Sloan Foundation, the Whitehall Foundation, and the National Organization for Hearing Research.

Получаемые навыки

Psychology, Cognitive Science, Brain, Neurobiology

Рецензии

Taught for beginners in a simple and concise way! I especially liked the real life examples given to help students understand the concepts being explained - made it a lot more engaging!

I found this course to be interesting and informative. Dr Groh does a great job in making the content relatable and easy to understand even without a background in the brain.

This module contains an introduction to the course as a whole (Video 1.1) and an exploration of how our eyes detect light and deduce the location light is coming from (Videos 1.2-1.6). You'll also learn about how scientists from Democritus to Alhazen to Kepler figured this out. The final video for the module involves an experiment to test what happens when special goggles turn the world upside down (Video 1.7). I'll show experiments frequently throughout this course -- they are how we know what we know. This module’s quiz is ungraded and available to both auditors and certificate students. Consider it a sample of the style of question in the quizzes for the remaining modules, and an opportunity to determine if you’d like to pursue a certificate for this course.

Преподаватели

Dr. Jennifer M. Groh, Ph.D.

Текст видео

In the last lecture I talked about how light affects photo-pigment molecules, and by causing a change in the shape of those photo-pigment molecules causes a chain reaction. But I haven't yet told you how light causes an electrical signal in neurons, and that's what we're going to talk about today. So let's just recap briefly. We saw last time that light causes a change in a photo-pigment molecule called rodopsin that causes a molecule called opsin which is an enzyme to be activated. And that leads to additional activation of other kinds of enzymes in a bio-chemical pathway. What we're going to talk about today is what happens next. And what happens next is that these biochemical reactions lead to a change in the electrical signals of photoreceptor neurons. So, first of all, photoreceptors are indeed neurons, and neurons are the brain's information processing units. And they process information by encoding signals through electrical activity. How they do this involves their membranes. Neurons are encased in membranes, and these membranes provide an electrical boundary between the inside of the neuron, and the outside of the neuron. If you placed an electrode inside a rod photoreceptor, and you compared the voltage inside the neuron to outside, and you graft that, what you would find is that the inside is slightly negative in comparison to the outside. What happens when you shine light on a photoreceptor is that there is a change in that voltage. In particular there is a slight dip in that membrane potential. Now, you'll see in later lectures that other neurons respond to their inputs in different ways. Some respond negatively and others respond positively. Photoreceptors happen to respond with a change in the voltage that goes in the negative direction. The important point is that light is producing a change in that membrane potential. So, let me introduce some important terminology. The voltage before the light turns on is referred to as the resting membrane potential. That's a general term that describes the electrical voltage in a neuron compared to the outside when it is not receiving any input. This slight dip in the activity is a deviation from that resting membrane potential, and we call that a neural response. So how does this happen? The electrical milia inside a neuron is regulated by the membrane. The membrane serves as a barrier between the inside and the outside and it has small openings, small pores in the membrane known as ion channels. These ion channels allow small molecules known as ions to pass through. Ions have an electrical charge and when they move across the neuron's membrane they change its electrical potential. So the final step in this processing chain involves a change in the ion channels that regulate the electrical potential inside photoreceptor neurons. So here's what happens. When light triggers this biochemical cascade, it causes the sodium ion channels in the photoreceptor neuron to close. That prevents these positively charged sodium ions from entering the neuron. And it causes a negative deflection in the photoreceptor neuron's resting membranes potential. That is without these positively charged sodium ions flowing into the neuron it becomes a little bit more negative on the inside than it normally is. Again, other types of neurons respond differently and we'll talk more about that as they come up later on in the course. So, to summarize what we've seen so far, light alters the shape of photopigment molecules. This triggers a biochemical cascade that ultimately results in the closure of sodium ion channels. Sodium ions being positively charged, that causes the rip, that causes the membrane potential to become more negative. So, you've seen here the basics of how light is detected and causes an electrical response, but I haven't yet told you anything about how we determine where the light is coming from. And that's what we'll begin to talk about in the next lecture.


Parts of the Nervous System

The center of the nervous system is the brain. The brain takes in what your eyes see and ears hear, and if you decide that you want to move around, your brain tells your muscles to do it.

Your brain makes your muscles move by sending tiny electrical signals to them through your nerves. Remember how neurons can be really long? Well, nerves are just a lot of those really long neurons all bunched together. Those really long neurons each send a small electrical shock to your muscles, which makes them move, moving your body.

The nervous system is really complicated, but it can be divided into two really general parts. One is the Central Nervous System (or CNS). The CNS consists of your brain and spinal cord. The brain and spinal cord are inside your skull and vertebrae (the vertebrae make up your backbone). These bones protect the CNS when you get into accidents.

The other part of the nervous system is the Peripheral Nervous System (or PNS). The PNS consists mainly of the nerves that go to and from the CNS. Unlike the CNS, though, there is no bony protection for the PNS. Have you ever hit your "funny bone?" That odd feeling was you pinching one of the nerves in your arm. That nerve is part of the PNS. It has no bones to protect it so it's easy to hit!


Shining a Light on the Human Brain

Shining a Light on the Human Brain

Scientists have been poking and prodding the brain for centuries in hopes of learning how this gelatinous mass of billions of interconnected neurons influences thoughts, emotions, movement, mental and behavioral problems, and just about everything else that makes us human.

One of the great advances in neuroscience came in the 1930s, when a surgeon named Wilder Penfield used electrodes to explore the brains of epilepsy patients. Stimulating different parts of the brain with electricity revealed which regions control what movements, allowing him to identify areas to avoid during surgery. Penfield’s findings led to the first functional map of the motor areas of the brain.

Until recently, electrical stimulation remained the go-to method for studying the brains of experimental animals, revealing the actions controlled by different parts of the brain and their various specialized neurons. But the technique had serious drawbacks. Inserting electrodes into the brain can damage the very cells under study. And electrical stimulation was imprecise and nonselective, so it was impossible to know exactly which neurons were being activated.

In 1979 Francis Crick (who by then had turned his attention from DNA to neuroscience) made a suggestion: Researchers hoping to decode the brain would need to manipulate one type of neuron without altering any of the others. Light, he surmised, could provide a precise, nondestructive solution. Crick was on to something, but it would take decades for science to catch up.

The first component of this futuristic tool was already at hand. In the early ’70s, researchers discovered that certain microorganisms contain opsins—light-sensitive proteins that regulate the flow of an electric charge across cell membranes. Thanks to virus-mediated gene delivery, developed in the 1980s, the genes for opsin proteins could be inserted into neurons when those genes become activated, the cells start synthesizing light-sensitive opsin proteins.

The final key component: the availability of long, slender optical fibers (similar to the kind that bring the Internet into homes) that could shine pulses of light on opsin-containing neurons almost anywhere in the brain. With the literal flick of a switch, this marriage of optics and genes—“optogenetics”—could now turn neurons and other cells in a living organism on or off (depending on the opsin).

V roku 2010, Nature Methods chose optogenetics as its Method of the Year. By now the technique has found its way into thousands of laboratories around the world. Here’s how four labs at Einstein are using the transformative effects of light to illuminate science.

The Khodakhah Lab: Linking the Cerebellum to Addiction

Dating back to Galen, a second-century Greek physician, biologists have believed that the main role of the cerebellum—a fist-sized brain structure located just above the brain stem—is to coordinate movement. But through the use of optogenetics, Einstein’s Kamran Khodakhah, Ph.D., has shown for the first time that the brain’s cerebellum also helps control the reward circuitry underlying addiction.

The surprising finding, published in January 2019 in Veda, suggests a major role for the cerebellum in social behaviors and could lead to novel addiction therapies.

Previous studies had hinted that the cerebellum’s talents were underappreciated. For example, several functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies, which measure blood-flow changes that occur with brain activity, involved people recovering from addiction who were shown syringes or other images associated with their addiction.

Unexpectedly, the cerebella of those individuals glowed on fMRI scans, indicating heightened activity, and the glow’s intensity correlated with a person’s risk of relapse. This and other evidence suggested that the cerebellum was somehow involved in triggering the release of the feel-good neurotransmitter dopamine in brain areas that received rewarding stimuli.

“The idea that the cerebellum did much beyond controlling movement was met with considerable skepticism—and no one had any real clues as to how the cerebellum might affect dopamine release,” says Dr. Khodakhah, professor and chair of the Dominick P. Purpura Department of Neuroscience and the Florence and Irving Rubinstein Chair in Neuroscience.

For Dr. Khodakhah, all signs pointed to an as-yet-undiscovered link between the cerebellum and the ventral tegmental area (VTA), a nearby structure known to play a role in addiction. VTA neurons synthesize and release dopamine into the mesolimbic pathway, which mediates pleasure and reward. “However,” he says, “conventional tools for looking at brain anatomy could never tell us whether cerebellar neurons directly connected with the VTA, or if they simply passed by en route to other destinations.”

Dr. Khodakhah and his colleagues turned to optogenetics to provide the answer. Their research involved inserting opsin genes into mouse cerebellar neurons, which then processed the genes into light-sensitive opsin proteins. Exposing those neurons to light would selectively activate or inactivate the treated neurons, depending on the particular opsin used.

In an initial experiment, Dr. Khodakhah’s team inserted opsin genes into certain cerebellar neurons: those whose long fibers, known as axons, connected with the VTA. When these neurons were exposed to light, the VTA responded with measurable electrical activity. Since only opsin-containing cerebellar neurons could have been activated by the light, this experiment proved for the first time that cerebellar neurons form working synapses (connections) with VTA neurons.

To see whether those connections influence behavior, Dr. Khodakhah conducted a so-called open-field chamber test, in which mice were free to explore any corner of a square enclosure. Each time a mouse reached a particular corner (randomly chosen for each mouse), cerebellar neurons linked to the VTA were optogenetically stimulated.

If the mice found this stimulation pleasurable, they’d be expected to preferentially return to this corner (to get another rewarding flash of light) instead of to the other corners—and they did, much more so than occurred with control animals. (See images below.)

STIMULATING THE REWARD CENTER. Heat maps show how much time a mouse spends exploring the four corners of a square enclosure (warmer colors equal greater number of visits). Map at left shows time spent in the four corners before researchers optogenetically stimulated cerebellar axons in the mouse’s VTA whenever it entered the upper-right quadrant. At right, the mouse preferentially returns to the upper-right corner, presumably hoping for more pleasurable stimulation.

Could stimulating cerebellar projections to the VTA trigger “addiction” in mice? To find out, Dr. Khodakhah and colleagues put mice in a chamber that was half dark and half brightly lit. Since mice prefer dark areas—the better to avoid becoming a predator’s next meal—they spent more time exploring the dark part of the chamber.

The researchers then repeated the experiment—except this time, every other day for six days, mice were confined to the bright side for 30 minutes while cerebellar axons with connections to the VTA were optogenetically stimulated. After that initial conditioning period, the mice were allowed to freely explore the entire chamber.

Even though mice normally shun bright areas, now they ran toward the light, because that’s where they remembered getting a reward.

“Even though mice normally shun bright areas, now they ran toward the light, because that’s where they remembered getting a reward,” Dr. Khodakhah says. “This suggests that the cerebellum plays a role in addictive behaviors.” He notes that the results were “very similar” to findings in other studies in which mice confined to the bright part of chambers received addictive drugs, such as cocaine, instead of cerebellar stimulation.

Cerebellum abnormalities have been implicated in autism spectrum disorder (ASD), although how the cerebellum contributes to ASD isn’t clear. Because the VTA is required for social behavior, Dr. Khodakhah and colleagues tested whether the cerebellum-VTA pathway might be involved. They placed mice in a three-chambered box in which they were free to travel to either an inanimate object, another mouse, or an empty chamber. The activity of cerebellar axons within their VTA was monitored.

The mice being studied typically spent most of their time socializing with other mice—and when they did, cerebellar axons in their VTA were most active, consistent with the idea that the cerebellum relays information relevant to social behavior to the VTA. Intriguingly, when researchers optogenetically silenced cerebellar axons projecting into the VTA, the mice no longer preferred interacting with other mice.

This finding suggests that social behavior requires a functioning cerebellum-VTA pathway and that interference with this pathway may be a glitch through which cerebellar dysfunction contributes to ASD. “It would have been extremely difficult to make these discoveries without this technique,” Dr. Khodakhah notes.

The Autry-Dixon Lab: Investigating the Neurobiology of Parenting

Filicide—the murder of one’s own child—may be the most horrific of all crimes. But it occurs about 3,000 times a year in the United States, according to a 2014 study in Forensics Science International. Mothers are nearly as likely as fathers to be involved, and the vast majority of killers are biologically related to their victims.

The neurobiological basis for this behavior may lie deep within the hypothalamus, according to research by Anita Autry-Dixon, Ph.D., assistant professor in the Dominick P. Purpura Department of Neuroscience and of psychiatry and behavioral sciences. She studies the neural circuits that control parental behavior—both good and bad.

“We’re finding that a lot of these circuits exist in both males and females,” Dr. Autry-Dixon says. “It’s natural to assume that mothers have ingrained parental behavior, of course, but so do fathers. For example, when a male mouse encounters a female, he attacks her pups so that he can have pups of his own with that female. What’s fascinating is that males stop killing pups about three weeks after they mate, which is exactly when their own pups would be born.”

Dr. Autry-Dixon recently identified a group of neurons in the mouse hypothalamus that is active during pup-directed aggression but not during normal parental behavior. In males, the use of optogenetics to silence those cells blocked pup-directed aggression, while optogenetically activating the neurons in females led to reduced maternal behavior and, in some cases, pup-directed attack—which normally is extremely rare among mouse mothers. She speculates that these neurons sit at the middle of a “social-stress circuit” in males and females and that, under certain conditions, the neurons misfire and lead to aberrant parenting.

Now Dr. Autry-Dixon is defining the anatomy and function of this possible social-stress circuit in mice to determine how these neurons control pup-directed aggression. Again, optogenetics will play a key role in her research. Her findings may shed light on neurobiological mechanisms underlying filicide and could lead to new treatments for parenting-related disorders, such as postpartum depression and postpartum psychosis, that can affect both mothers and fathers.

“It’s interesting how much our neural circuits change in response to parenting,” she says. “In female mice, for example, a lot of oxytocin activity occurs in the brain’s auditory cortex, allowing mothers to respond quickly to pups’ vocalizations. I’m the same way with my 4-month-old and wake up immediately when I hear my baby cry. My husband asks, ‘Was the baby up last night?’ And I say, ‘Yeah, six times!’ Mothers’ sense of smell also changes throughout pregnancy and early motherhood, and none of us would be here if humans didn’t have some kind of parenting instinct.”

Dr. Autry-Dixon likes to frame her work in a larger context. “What has struck me is that the cultural narrative around motherhood differs so starkly from the actual experience,” she says. “There’s so much pressure on mothers but often no maternity leave to help them bond with their infants, and little support from our healthcare system. So the inability of some mothers to form a strong maternal-infant bond is driven mainly by societal flaws rather than being a mother’s ‘fault.’ That recognition could lessen the stigma preventing parents from getting the help they need.”

The Jo Lab: Revving Up ‘Good’ Body Fat

Forgot your down jacket on a cold night? No worries—the human body has a couple of ways to trigger a metabolic process called thermogenesis, which means burning calories to produce heat.

A drop in your body’s core temperature triggers receptors to send signals to the hypothalamus saying, in effect, “We’re freezing down here send help!” The hypothalamus, the body’s thermostat, responds by telling muscles to contract and make you shiver—which burns calories and provides temporary warmth.

Less well known is a second, longer-lasting mechanism for generating heat: nonshivering thermogenesis. Here the hypothalamus sends signals to activate a special type of fat called “brown fat,” which evolved to burn lipids in order to warm up mammals exposed to cold.

Brown fat is the healthy cousin of the better-known “white fat,” which stores calories for future use but increases the risk of heart disease, diabetes, and other maladies. The cells of brown fat are dense with mitochondria, the iron-containing organelles that give brown fat its color. Those mitochondria contain a unique protein that diverts mitochondrial respiration from its usual task of converting nutrients into energy-rich molecules of adenosine triphosphate, which cells rely on to perform activities. Instead, brown-fat mitochondria act like tiny blast furnaces, devoted solely to burning nutrients to produce heat.

Brown fat is found mainly in the neck and shoulder regions of hibernating animals and many small mammals—including newborn humans, who lack the ability to shiver in response to cold. The small clusters of brown fat that linger into adulthood were assumed to be physiologically unimportant.

But in 2009, three reports in The New England Journal of Medicine found not only that healthy adults possess significant amounts of brown fat but that the fat is also metabolically active. In one of the reports, exposing human volunteers to cold revved up their brown-fat activity fifteenfold, as measured by increased glucose uptake from the bloodstream (a reflection of brown-fat cells’ high metabolic rate).

“Brown fat’s ability to clear glucose means that activating it could help in treating or even preventing diabetes,” says neuroscientist Young-Hwan Jo, Ph.D., associate professor of medicine and of molecular pharmacology. “Activated brown fat also expends energy by burning off large numbers of calories—and the resulting weight loss can especially help people with diabetes, as well as anyone who is overweight.”

Dr. Jo’s research has shown that optogenetics could be a promising alternative to freezing temperatures for activating brown fat. V štúdii publikovanej v Molecular Metabolism in 2015, he and colleagues inserted opsins into mouse neurons in a region of the hypothalamus and then used optical fibers to stimulate those neurons. The study conclusively demonstrated that neurons in the hypothalamus regulate brown-fat metabolism.

Optogenetics could be a promising alternative to freezing temperatures for activating brown fat.

“This procedure is too invasive for humans, of course,” Dr. Jo says. But three years later, in a 2018 mouse study published in Vedecké správy, Dr. Jo used a noninvasive optogenetic technology to stimulate peripheral autonomic neurons. These nerves, in the back of the necks of mice, connect with brown fat directly below.

“We knew that blue light readily penetrates human and rodent skin,” Dr. Jo says. “So we expressed opsins in the neurons and then shone blue light directly through the skin.” The underlying brown fat was successfully activated, as shown by nonshivering thermogenesis and lowered blood-glucose levels in the mice, reflecting metabolically active brown-fat cells taking up glucose from the bloodstream.

Dr. Jo and Einstein have applied for a patent on his noninvasive technology, which uses a computer-controlled pulse generator to emit bursts of light-pulses. Applications for Dr. Jo’s technology could extend beyond brown fat, because it can stimulate (or turn off) any nerves close to the skin surface.

“For example,” Dr. Jo says, “we know that autonomic nerves in the liver play a crucial role in regulating the body’s blood-glucose concentrations. We hope that optogenetically stimulating those nerves can normalize the excessive blood-glucose levels in people with diabetes.”

The Kohn Lab: Discovering the Ups and Downs of Vision

When we look at something—say, a tree in the middle of a field—light rays from this tableau pass through the cornea to the retina, whose light-sensing neurons (rods and cones) send electrical signals up to the visual cortex, the part of the brain’s cerebral cortex that processes visual information.

Signals undergo initial processing in the lower area of the visual cortex and then travel to upper areas for more refinement. They finally reach the prefrontal cortex, where we “see” the tree and the field. However, some of the visual information reaching the upper visual cortex makes an abrupt U-turn and is fed back to neurons in the lower visual area.

“Half the connections in the visual cortex transmit these upper-to-lower cortex feedback signals,” says Adam Kohn, Ph.D., professor in the Dominick P. Purpura Department of Neuroscience, of ophthalmology and visual sciences, and of systems & computational biology, and the Isidor Tachna Professor in Ophthalmology.

“But experiments to map these signals have been lacking, so we don’t know what those signals are doing or how they might be influencing the images we ultimately perceive,” he says. “Some research suggests that feedback signaling may cause the brain to make the sort of inferences seen in optical illusions.” (See Necker cube illusion, below.)

Above, the Necker cube optical illusion, first published in 1832 by Swiss crystallographer Louis Albert Necker. The cube’s lower-left square or its upper-right square may appear closest to you—or they may switch back and forth as you stare. Feedback signaling in the visual cortex may influence our perception of reality by causing the brain to make the sort of inferences seen in this and other optical illusions.

Until recently, the only way researchers could assess the influence of feedback neurons on vision was to inactivate them (using drugs or cooling probes, for example) and then monitor the effects. But the downstream consequences were subtle and difficult to interpret.

For one thing, it was hard to know exactly which neurons had been inactivated. Also, the timing of the inactivation couldn’t be controlled—a considerable downside in a circuit that works on a millisecond timescale. Finally, by the time the neurons were inactivated and the effects measured, the brain could already have compensated for the loss.

“Basically, we needed a way to control neurons that was instantaneous, reversible, and more precise,” Dr. Kohn says. “That was the promise of optogenetics.” Adapting that tool to vision would not be easy: Most optogenetics research had involved mice, which unfortunately are not good animal models for studying human vision. Nonhuman primates are ideal animal models for vision study, but little optogenetics research had been done on them.

“It took some time for us to learn how to get opsin genes into the right cells,” Dr. Kohn says. Once he did, he was able to selectively activate upper visual-cortex neurons while recording the effect on neurons in the lower cortex, a hundred neurons at a time.“If we use a musical analogy, what we could do before was hit the piano with a sledgehammer,” he adds. “What we can do now is use our fingers to play a few notes. But it would be really nice to be able to play a melody that mimics natural activity patterns in the brain and then observe the downstream effects.”

It’s too early for Dr. Kohn to draw conclusions from his preliminary experiments. “We’ve seen very robust effects caused by manipulating feedback neurons, which itself is a big step forward,” he says. “The firing rate of the affected neurons changes, and so does their activity. When feedback signals are active, the lower cortical neurons appear to change from fluctuating together—that is, acting redundantly—to functioning independently. If these independently functioning neurons are each carrying different bits of information, then they might provide us with a richer representation of the world. But we need to do more work to see if this is what is actually happening.”

Dr. Kohn’s initial data are in line with current theories that feedback signals aid tasks such as figure-ground segregation (helping you separate the tree from the field) and predictive coding (helping you predict future locations of a moving object). His studies could have important implications for human health. “Disruptions in signaling between areas of the visual cortex have been implicated in schizophrenia, autism, and several other disorders,” Dr. Kohn says. “Gaining a better understanding of feedback circuitry could yield insight into the underlying causes of those disorders.”


Pozri si video: Ce faci când nu poți avea un bebe? Despre infertilitate și cum o poți vindeca - cu Valentina Arsene (November 2022).