令人大开眼界的研究揭示了双目视觉和大脑可塑性的遗传联系

2020年2月11日10:21 AM

作者:Doug Dollemore


观察小鼠神经元对视觉刺激的反应,有助于科学家更好地理解双眼视觉是如何发展的。在这张图中,当老鼠看到移动的条形时,与左眼(蓝色)、右眼(黄色)和双眼(绿色)相关的神经元会做出反应。信贷:凯尔·詹金斯

对于刚出生的婴儿来说,生活只是模糊的。他们出生后的最初几周或几个月是色彩、朦胧的光线和朦胧的形状的大杂糅。这是因为当我们来到这个世界上时,眼睛还没有完全准备好迎接黄金时间。他们需要时间来成熟,完善大脑中的连接,并学习如何集中注意力和同步移动。

这种同步对双目视觉至关重要,它可以让双眼聚焦在一个物体上,这样我们就可以将其视为单一的视觉图像。没有双目视觉,就很难判断距离或深度,也很难看到3D图像。因此,诸如接球、开车、阅读甚至走路或跑步等日常活动都具有挑战性。

现在,犹他大学健康学院的科学家们发现,万博APP官网平台一种名为Arc的基因有助于调节大脑中负责双眼视觉的神经元的发育。他们表示,这一发现为这些细胞如何在视觉皮层中形成和发挥作用提供了关键见解,视觉皮层是大脑中负责处理视觉信息的区域。更广泛地说,它加强了早期的发现,即Arc在大脑可塑性中发挥着至关重要的作用,大脑可塑性是一种对新的行为和体验做出反应,重新连接现有神经元之间的连接或形成新神经元的能力。

研究人员表示,更好地理解Arc在这一过程中的作用,可以培养提高衰老大脑可塑性的技术,并可能导致治疗,改善中风或遭受其他创伤性脑损伤的人的视力和其他重要功能。

这项研究发表在2月11日的《细胞的报告。

杰森说:“大脑的可塑性在生命早期非常强大,但在成年后就不是这样了。”D. Shepherd博士是这项研究的资深作者,也是密歇根大学神经学和解剖学健康系的副教授。“我们认为Arc是其中的核心角色。如果我们能以某种方式调整这个基因,让它在成年人中更好地工作,我们可能就能用它来增强衰老大脑感官部分的可塑性。”

长期以来,大脑随时间变化的戏剧性方式一直激发着科学家们的想象力。大脑可塑性的一个“关键窗口”解释了为什么某些眼睛状况(如弱视)可以在童年早期纠正,但在以后的生活中却无法纠正。这一现象引发了一些问题:通常是什么使这扇窗口保持打开的?而且,一旦窗户被关上,可塑性是否可以恢复

在之前的研究中,Shepherd确定Arc的上升和下降与小鼠视觉皮层的视觉可塑性平行,在青少年小鼠达到峰值,到中年急剧下降。这种相关性表明,一个单一的基因可以帮助大脑重新获得一些年轻时的学习、记忆和适应潜能。

在这项新研究中,谢菲尔德和研究生凯尔·r·詹克斯(Kyle R. Jenks)专注于Arc在视觉皮层双目视觉神经元发育中的作用。这些神经元通常在出生后发育。然而,将幼鼠长时间放置在黑暗的房间中不会产生双目神经元,这表明需要经历和学习才能触发这些细胞的发育。

研究人员使用高倍显微镜观察暴露在垂直和水平条形以及其他形状下的幼鼠双眼神经元的实时发育情况。然后,他们将这些动物的Arc基因禁用或敲除,预期这些老鼠将无法产生双目神经元。相反,它们发育出了更多,而不是更少的这些细胞。更令人惊讶的是,同样的实验在成年小鼠身上也产生了类似的结果,这表明大脑的可塑性比之前认为的更持久。

然而,谢泼德说,这些arc缺陷小鼠产生的双眼神经元功能不全,实际上可能导致视力障碍。基于这些发现,研究人员推断Arc起到了刹车的作用,使双目神经元处于控制之下。

“Arc有点像Goldilocks,确保大脑中有刚好合适数量的双目神经元可用,”Shepherd说。“如果没有它,你就会得到太多对双眼都有反应的细胞,视觉皮层中的计算网络就会被破坏。”

Shepherd说,了解Arc如何促进大脑可塑性,最终可以帮助那些遭受中风或创伤性头部损伤的人。

“困难的部分是恢复。人们需要通过物理疗法来重新获得技能,这取决于大脑的哪一部分受到了影响。”“我们认为,这种重新学习的过程可以通过重新点燃大脑的可塑性来得到支持;激活或关闭Arc可能会在其中发挥作用。然而,还需要更多的研究来找出如何从治疗上靶向arc依赖的可塑性。”


Doug Dollemore

doug.dollemore@hsc.utah.edu

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