科学家们解构了调节复杂鸟鸣声精确定时的“生物钟”

来自宾夕法尼亚州立大学和纽约大学的一组研究人员对斑马雀科大脑中的重要“生物钟”进行了解构，发现神经元之间的“线轴”（称为轴突）在鸟类求爱的精确时间中起着至关重要的作用。歌曲。

一项新的研究表明，鸟类复杂歌曲的准确时机部分是由人们经常忽略的连接鸟类大脑神经元的“电线”决定的。来自宾夕法尼亚州立大学和纽约大学的一组研究人员对一个重要的“生物钟”进行了解构，该钟调节鸟鸣和其他行为，从而产生了思考神经网络功能的新方法。

宾州州立大学物理学副教授，论文作者德哲·金说：“许多复杂的，习得的行为，例如打高尔夫球或拉小提琴，都需要在神经发射水平上精确地计时。”“但是，大脑如何以这种精确的方式无缝地调节我们的肌肉仍然不清楚。在这项研究中，我们基于多年的实验观察结果创建了一个模型，该模型揭示了神经元回路内的延迟在其触发时机中起着至关重要的作用。然后，我们确定了连接神经元的电线或轴突的延迟来源。”

在2020年10月15日发表在《细胞》杂志上的一篇论文中，Jin和同事们使用斑马雀来解决行为计时问题。斑马雀是一种小型澳大利亚鸣禽，能够以熟练的乐器大师的技能学习求爱歌曲。为了实现这种声音显示，雀科在他们的大脑中有一个专用的“时钟”（称为HVC）来调节歌曲的时间。在HVC中，成群的神经元以与歌曲的演奏相对应的可预测序列触发。

纽约大学医学院的博士后研究员，这项研究的主要作者罗伯特·艾格（Robert Egger）说：“ HVC通常被认为是时钟，因为它控制着非常复杂的运动-这首歌-精确的定时至关重要。”“我们使用了最先进的方法来测量歌唱过程中HVC内多达70个神经元的同时活动。过去，我们必须逐个测量每个神经元，并使它们的活动与歌曲保持一致。”

为了探索电路的精确度，Jin和他的研究生Eugene Tupikov开发了一系列描述神经元电路的大规模计算模型。在一种情况下，一组神经元在同一时间触发，从而触发了下一个神经元在同一时间触发，从而触发了另一组神经元，就像下降的多米诺骨牌一样，被研究人员称为synfire链。在替代模型中，导线延迟会导致神经元在稍有不同的时间触发。结果是时钟更加精确。

纽约大学医学院神经科学与生理学副教授，论文的相应作者迈克尔·朗说：“我们过去常常将每组神经元一起发射是秒针的一个单独的，不连续的滴答声。”“但是我们实际看到的更像是一只秒针，可以平稳连续地移动。导线之间的延迟分布可以提供更高的分辨率，因为您无法获得这些刻度点。”

研究小组发现电路中的延迟分布很广，这意味着某些信号会很快到达其他神经元，而有些信号则需要更长的时间。

“我们知道神经回路的延迟在很长的距离内很重要，但是在局部回路中，它们被认为可以忽略不计，因此常常被忽略，”负责建模工作的金说。“这些结果表明，轴突在神经元回路的时序中起着至关重要的作用，应将其纳入未来的模型中。”

为了确定轴突延迟是否可能在其他大脑网络中起作用，研究人员估计了在移动胡须时用来感知周围环境的啮齿动物大脑区域的延迟。

Jin说：“我们的结果与我们在鸣禽中看到的延迟相一致，这表明轴突延迟可能在影响一系列复杂行为的神经元活动中起着重要作用。”“我们需要将轴突延迟纳入我们对大脑及其工作方式的看法中。”

参考：Robert Egger，Yevhen Tupikov，Margot Elmaleh，Kalman A. Katlowitz，Sam E. Benezra，Michel A. Picardo，Felix Moll，JörgenKornfeld，Dezhe Z. Jin和Michael A撰写的“局部轴突传导塑造了神经序列的时空特性” Long，2020年10月15日，Cell.DOI：
10.1016 / j.cell.2020.09.019

研究团队还包括纽约大学的玛格特·埃玛莱（Margot Elmaleh），卡尔曼·卡特洛维兹（Kalman Katlowitz），萨姆·贝内兹拉（Sam Benezra），米歇尔·皮卡多（Michel Picardo）和费利克斯·莫尔（Felix Moll）。马克斯·普朗克神经生物学研究所的JörgenKornfeld。这项工作得到了德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft），美国国立卫生研究院，美国国家科学基金会和西蒙斯基金会的支持。