Nature 热议:神经科学走向“野外”

发表时间:2023-06-30 18:18作者:湾湾

作者:Kerri Smith;

原文:https://www.nature.com/articles/d41586-023-01926-w.

在伦敦一间光线昏暗的实验室里,一只棕色的小鼠正在圆形桌面上边走边嗅探着。突然,悄无声息地,一个影子出现了。


一瞬间,小鼠的大脑活动开始活跃起来。感知到潜在捕食者的威胁后,小鼠中脑的神经元开始放电,邻近区域的神经活动级联则使小鼠身体做出反应,如:冻结在原地希望不被捕食者发现,或者前往附近一个由红色塑料盒子搭建的避难所。


从小鼠的角度来看,这是生死攸关的事情,身体做出何种反应是一个利用感官信息、以往经验和本能反应的快速决策过程。但是影子其实并非来源于捕食者,而是 Tiago Branco 实验室的神经科学家们正在进行的一项实验工作,他们在操纵杆上安装了一个塑料圆盘来激发小鼠发生逃跑行为并进行研究。




拓展

“物种感知外界环境中潜在的危险信息,以快速的躲避天敌、做出最适宜的防御反应是物种生存所需要具备的至关重要的能力。此种能力具有跨物种的高度保守性,理解其内在的大脑运作机制和计算法则将对认识大脑固有功能及其如何适应环境具有重要意义。”


实际上,基于这个实验,全世界很多科学家都在共同努力。这其中也包括了中科院深圳先进院脑所王立平、蔚鹏飞等研究团队。

原文网址:https://kknews.cc/science/bpr4ar9.html


Branco 是伦敦大学学院塞恩斯伯里·威尔康中心的神经科学家,他曾设想在滑索上安装一个特制的猫头鹰标本,以创造更真实的体验环境。Branco 实验室的其他研究员们则有别的想法,例如将圆盘切割成翼展形状。实验室其中一位研究员 Dario Campagner 则表示,如果使用无人机,可能会有更好的效果。

图1:科学家们在小鼠身上进行逃离捕食者的实验

图片来源于 Dario Campagner 和 Tiago Branco


图1 所示实验是不断发展的神经科学研究中的一部分,旨在摆脱在过去几十年来神经科学家为了了解大脑和行为而进行的一些传统实验。此类实验如训练动物使用杠杆或操纵杆来获得食物奖励实验,或观察动物水迷宫的训练等都已经确立了大脑活动和大脑组织的重要机制,但是这些特定或特殊的任务都需要花费研究者几天到几个月的时间来训练动物完成。Branco 表示,这仿佛是在研究“职业运动员”,但在复杂、不可预测的自然环境中,大脑的工作方式可能会有所不同。


小鼠并没有进化到可以操作操纵杆。与此同时,美国西北大学的理论神经科学家 Ann Kennedy 表示,许多如逃离捕食者、寻找稀缺食物或接受交配等自发行为对动物来说极为重要。这些自发行为对动物的生存而言非常关键,是在自然选择的压力之下完成的。科学家们希望通过研究这些自发行为,可以收集到比以往任何时候都更全面、更与日常活动相关的有关动物大脑和行为的经验教训。


神经科学家正逐渐利用最新的大脑成像技术和行为跟踪技术来训练自发行为装置,他们希望可以找到更好、更细致的方法来对动物进行疼痛反应、唐氏综合症和自闭症等疾病的研究。另外,也有神经科学家正在重新思考关于攻击和恐惧的流行理论。美国国家心理健康研究所转化研究部主任精神病学家 Sarah Lisanby 表示,有些科学家也正在寻找更丰富的人类行为学研究方法,这些方法可能会颠覆某些传统的精神疾病研究。


Lisanby 表示,除非我们了解个体出现症状时的大脑机制,否则仍无法有效地为患者提供医治服务。在过去一年中,Lisanby 协助启动了超过 2500 万美元的研究资金,用于量化人类和其他动物的自发行为研究。


神经科学领域的研究人员表示,他们对于自发行为装置仍有许多地方需要学习,而且该装置的实用性仍是一个悬而未决的问题。美国哈佛医学院研究小鼠自发行为的神经科学家 Sandeep Robert Datta 提出疑问,“让动物做他们想做的事,我们真的能学到更多东西吗?”。总而言之,神经科学研究的新征程才刚刚开始。

01

回归自然

回归自然的行为观测方法借鉴了早期动物行为学家的研究形式,即通过鸟类或昆虫长期的活动记录和详细的日记来研究动物的自发行为。被认为是动物行为学的奠基人之一的荷兰生物学家 Niko Tinbergen,会花几个小时坐在北海沿岸的沙丘上,通过描述性语言记录下海鸥的行为。(Tinbergen 与另外两位科学家因对动物行为学有所贡献而一起获得了 1973 年的诺贝尔生理学或医学奖。)

图2:1973 年的诺贝尔生理学或医学奖的获得主,

从左往右为Nicholas Tinbergen,Carl von Frisch,Conrad Lorenz.


Branco 表示,生物学家对动物自发行为有了一定程度的深入研究,但由于专业性限制,他们从未接触过大脑。相较而言,对研究大脑的神经科学家们来说,可用于研究动物行为的范围却很有限。


Branco 团队正在研究动物的特定行为,团队通过使用安装在动物头部的电极同时记录大脑活动。例如,在塞恩斯伯里·威尔康中心的伪捕食者实验室楼下,Branco 团队的研究人员通过搭建一个地板上嵌有滚轮的区域来追踪动物是如何觅食的。为了重现野外食物来源的多样性,当小鼠在轮子做挖取动作时,谷物颗粒会根据科学家设计的速度弹出。


而其他行为学研究实验室则专注于小鼠自身,科学家们每时每刻都在记录它们的行为。在黑暗的空桶中奔跑对动物来说是一项重大的认知挑战,Datta 表示,动物这些看似简单的行为在神经科学家们眼中是存在着复杂性的。Datta 等人使用三维成像技术,对小鼠肢体语言的“语法”进行了分类,并把它分解为简单的模块化动作或“音节”,例如小鼠抬起后腿或摆动头部的动作。研究者使用此技术来探索动物在不同的刺激或基因编辑下是如何改变行为模式的。

图3:图片来源:Wiltschko, A. B. et al. Neuron 88, 1121–1135 (2015).




拓展

深圳市一湾生命科技有限公司一直致力于对动物的行为“语言”的理解。基于 2021 年在《自然—通讯》杂志上发表的 BehaviorAtlas。团队研发了一种多视角、三维自动化行为采集设备,通用的动物三维行为图谱框架软件。目前已经在大、小鼠、狗、猪、猴等跨物种的模式动物的自闭症、抑郁症、帕金森症、骨癌、术后谵妄、渐冻症等神经疾病上得到应用。

图4:BehaviorAtlas 的算法框架。

图片来源:Huang, K. Et al. Nature Communications. 2021


在机器学习的帮助下,自动记录、跟踪和编码动物行为所需的计算能力和分析技术在过去五年中才得以实现。例如,位于洛桑的瑞士联邦理工学院的神经科学家 Mackenzie Mathis 在 2018 年推出了一款名为 DeepLabCut 的开源运动跟踪软件包,该软件已被安装了 50 万次,并且也陆续出现了其他类似的软件包。


Mathis 表示,目前科研人员可以借助行为分析工具回答关于“行为发生的根因”这一重大问题,这对解释“我们是谁”至关重要。他还表示目前尚未发现该工具的局限性。


新兴领域已经对动物行为的多样性以及大脑如何创造这些行为产生了一系列的新见解。

02

自发行为

一些新的研究发现对动物行为发生原因的传统观点提出了质疑。例如,经常有研究人员提出,控制月经周期的激素(例如雌性激素)使雌性动物的行为变得更加多变。但当 Datta 的团队进行小鼠探索环境实验时却发现,雌性动物的行为变化频率低于雄性,并且雌激素水平对行为几乎没有影响。


在 Kennedy 还是加州理工学院神经生物学家 David Anderson 实验室的成员时,他曾和同事在研究小鼠之间的相互斗争后,恢复了一个已不受推崇的经典行为学理论--内部的攻击性信号会不断累积,直至信号促使动物采取行动。这一理论来自奥地利动物行为学家 Konrad Lorenz,他与 Tinbergen 共同获得了 1973 年的诺贝尔奖。一些评论家认为该理论模型过于简单,缺乏神经生物学基础并且没有考虑到动物的学习能力问题。


然而,Kennedy 等人在小鼠身上发现了 Lorenz 所提出的理论的证据。当一只小鼠与另一只小鼠互动时,下丘脑中与小鼠行为相关联的一组神经元活动水平逐渐提高。在低水平信号下,小鼠可能会冻结或忽略另一只小鼠。但随着信号在数十秒内逐渐增加,可能会表现出攻击行为,例如试图骑上另一只小鼠。在高水平信号下,小鼠直接开始攻击其他小鼠。这些神经元的功能似乎就像一个控制攻击的容量刻度盘。而且,不同小鼠之间的信号水平具有差异性,有些小鼠几乎从不发起攻击,有些则很快开始攻击。

图5:Remedios, R. et al. Nature 550, 388–392 (2017).


其他的研究实验则完善了先前关于大脑如何控制身体的理论。Branco 表示,数十年的研究表明杏仁核区域控制着恐惧情绪,所有处理防御反应的行为都与杏仁核相关。Branco 团队进行了一项从捕食者手中逃脱的小鼠的观察实验,发现了一条从小鼠眼睛到其大脑后部的启动小鼠发生逃跑行为的神经回路捷径。当小鼠发生逃跑行为后,它的杏仁核可能会帮助它从中学习逃跑经验。

03

疼痛研究的止步不前

一些对自发行为的研究可能已经具有了临床意义。哥伦比亚大学的 Ishmail Abdus-Saboor 等人通过小鼠自发行为模型来研究疼痛,希望该模型能比标准模型更好地了解疼痛的原因和潜在的治疗方法。Abdus-Saboor 表示,如果有人因为疼痛而去看医生,其根本原因更有可能是因为自发出现疼痛的感觉,例如他在走路时受伤或躺在床上时出现的背部疼痛,而不是因为坐在家里无缘无故被别人刺到。但目前 Abdus-Saboor 团队尚未能够在动物模型中检测出自发产生疼痛这一行为。


2021 年,由 Abdus-Saboor 和罗格斯大学的神经科学家 Victoria Abraira 团队共同发表文章,研究显示一种名为美洛昔康(meloxicam)的常用抗炎止痛药在标准疼痛测试中似乎药效良好,但小鼠的疼痛自发行为仍会出现。这表明动物仍处于疼痛状态,但传统测试却忽略了这一点。

图6:Bohic, M. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.06.16.448689 (2021).


在进行该项实验时,小鼠的爪子都被注射了导致炎症的药物,然后注射止痛药。在对疼痛敏感度的标准测试中,科学家们发现将小鼠爪子置于高温之下时,小鼠几乎没有反应,这表明药物正在发挥作用。


而当科学家们观察小鼠的自发行为时,他们注意到某些动作(例如后腿直立)持续存在,这表明小鼠仍然表现出疼痛的症状。Abdus-Saboor 表示,这非常具有启发性,但同时又令人震惊和担忧。自发行为揭示了疼痛反应更为复杂的一面,例如人在脚受伤时可以改变行走的方式。也许动物模型并没有捕捉到其全部的疼痛体验,这便可以解释为何似乎对啮齿类动物有效的止痛药却往往会在人体试验中失败。


美国制药公司 Eli Lilly 和 Doloromics 都考虑在药物研究开发中采用自发行为分析法,Abdus-Saboor 则为他们提供咨询服务。另外,其他神经科学研究小组也在研究疼痛的自发行为学模型。

04

更好的科学

研究自发行为产生了一些有趣的发现,且更广泛地改善了神经科学的研究方式。


神经科学家 Yogita Chudasama 为美国国家心理健康研究啮齿类动物行为中心组织的领导者,其任务是协助美国国立卫生研究院的研究人员描述大鼠和小鼠的行为特征。Chudasama 的单位正在安装一台使研究人员能够在长时间内收集动物自发行为数据的设备,希望借助该设备来减少实验的突发性以及增加实验结果的可靠性。在一些经典的实验中,实验动物可能会被带到新环境中进行实验观察,但在新环境下进行实验可能会影响动物的行为方式,而且长时间观察消除了可能影响动物的变量。此外,与人工限定的实验环境相比,在自然环境中观察啮齿类动物的行为会更加客观。


该中心设施的一些研究人员正在使用新设施来对动物进行长期监测,以比较那些特定功能基因完好无损或以某种形式发生突变的动物的行为差异,这些行为变化可能非常微妙,但 Chudasama 相信,通过长期观察,他们将看到行为变化的细微差别。


杰克逊实验室的神经遗传学家 Vivek Kumar 也在寻找改进动物模型的方法。他一直在研究唐氏综合症和自闭症动物模型的行为,这些疾病会导致认知变化,但这种变化很难在动物身上重现。但通过观察更简单的运动,Kumar 发现与这些行为相关的基因发生变异时,动物在步态上会表现出差异。如果这些差异是由与认知变化相同的基因或神经回路所引起的,那么对其中一个进行干预可能会影响另一个。该团队希望通过运动行为测试来筛选数百种化合物对步态的影响。

图7:Sheppard, K. et al. Cell Rep. 38, 110231 (2022).

05

资金投入

对自发行为的观察正从动物扩散至人类,并投入了大量资金。作为 BRAIN 计划的一部分,美国国立卫生研究院 (NIH) 将在 2024 年和 2025 年拨款 2000 万美元,以资助那些计划开发跟踪人类行为和大脑活动系统的研究人员。协助提供上述和其他资助机会来支持自然神经科学研究的 Lisanby 表示,当人们进行复杂的行为运动时,人们无法了解大脑正在做什么。


人类精神疾病例如强迫症虽然可以在实验室中重现,并通过扫描仪进行研究。但大多数疾病发作都发生在家中,随时随地为人类监测大脑活动仍是一个巨大的挑战。Lisanby 希望 NIH 基金能够帮助研究人员开发出在实验室以外检测大脑和行为的工具。例如包括人们可以在家里佩戴的传感器,以及比目前更好的可用的移动大脑记录设备。


在这样一个新兴领域,初期会遇到很多问题。Abdus-Saboor 表示,因为大多数研究人员都没有接受过数学、计算、计算机科学和编码方面的培训,因此很难找到具备全部所需技能的研究人员。在去年,Abdus-Saboor 等人在杰克逊实验室为研究生和博士后研究人员开设了一门关于量化行为的课程。


许多科学家们对这个新兴领域有着雄心勃勃的计划。包括 Branco 在内的许多团队,都梦想在数周甚至数月的时间跨度内同时追踪多只动物。他们希望了解大脑如何在行为之间做出选择以及监测群体的社会动态,甚至研究大脑如何储存记忆或大脑如何为未来做规划。若想同时追踪多只动物,则要求神经记录设备是无线形式的以防止电缆缠结,并需要使用先进的算法来支持。当动物进行互动并发生肢体重叠时,特别是在动物大小和颜色相似的情况下,利用现有的系统很难对动物进行区分。Mathis 希望可以对小鼠一生中的行为进行编码,并利用这些信息复制出一模一样的“数字孪生”小鼠模型以用作研究参考。


尽管研究人员对新一轮的技术浪潮感到很兴奋,但他们表示传统的行为学研究方法并不会消失,因为依靠新技术得到的研究结果也很有限。Datta 表示,这些工具并不神奇,它们只是帮助科研人员探索的辅助工具,犹如一副眼镜。

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