大规模神经元扰动后复杂学习行为的无监督恢复

本篇论文报道了关于斑鸭在大规模神经元扰动后如何恢复其复杂学习行为的研究。研究人员利用基因手段选择性地扰动斑鸭中产生鸣唱序列的关键脑区HVC(hyperpallium ventralis)中投射神经元的活动,导致鸣唱严重降解。令人惊讶的是,即使在被阻止鸣唱一段时间后,斑鸭也能在2周内完全恢复其原有鸣唱。

作者及论文来源:本研究由来自加州理工学院的Bo Wang、Zsofia Torok、Alison Duffy、David G. Bell、Shelyn Wongso、Tarciso A. F. Velho、Adrienne L. Fairhall和Carlos Lois共同完成。该论文于2024年发表在Nature Neuroscience杂志上。

研究工作流程: a)首先,作者利用慢病毒载体在HVC中表达细菌源钠离子通道NachBac或破伤风毒素轻链(TeTx),分别扰动HVC投射神经元的活动时间或突触释放。在扰动后的最初几天内,鸣唱完全降解,音节无法辨识。

b)令人惊讶的是,在5-10天后,斑鸭的鸣唱开始恢复,且在大约2周后完全恢复到与扰动前相似的水平。作者通过分析鸣唱声音特征的变化,定量描述了鸣唱降解和恢复的动态过程。

c)为探究鸣唱恢复的机制,作者阻止了一批斑鸭在恢复期间发声,发现其鸣唱仍能显著恢复,说明存在不依赖于实践的离线机制促进了恢复。

d)通过电生理记录,作者发现未被干扰的HVC神经元的兴奋性突触输入显著增加,而未受干扰的HVC神经元本身的性质并未改变。

e)作者建立了计算模型模拟神经元序列动力学,发现除了单细胞层面的自我调节作用外,还需要一种基于整个网络水平的自我调节机制,以及招募原先不参与序列活动的”静默”神经元,才能解释实验观察到的突触输入增加和行为恢复。

主要发现: 1)经大规模扰动后,斑鸭能够在不依赖于实践的情况下,在2周内通过离线机制逐步恢复其复杂的鸣唱行为。

2)恢复过程伴随着未受扰动HVC投射神经元兴奋性突触输入的显著增加,而这些神经元本身的性质未发生改变。

3)根据行为和电生理结果发现,需要单细胞和网络两个层面的自我调节作用,以及新招募原先”静默”的HVC投射神经元,才能解释神经回路恢复序列动力学的过程。

研究意义: 该研究揭示了大脑神经回路在遭受大规模扰动后能够自行重构以维持关键行为的能力,凸显了大脑具有非监督式恢复序列动力学的自组织机制。这一发现对于理解大脑如何长期保存信息和行为连续性,以及在疾病或损伤后恢复神经功能具有重要意义。

这项研究系统探究了斑鸭在鸣唱神经回路受到扰动后的行为动态和神经环路重组过程,发现了神经元自我调节和新神经元招募等内在恢复机制,为阐明大脑维持行为稳定性和自我修复的分子和网络基础提供了新的见解。