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扫描果蝇大脑有助于理解某些生物钟行为所涉及的神经信号

新的研究揭示了大脑的日常生活节奏是如何编码的。圣路易斯华盛顿大学医学院的科学家发现,负责保持时间的神经元的不同组,尽管在同一分子钟上,在一天的不同时间变得活跃。研究结果发表在“科学”杂志上。

地球上的生命跟随着太阳的升起和落下。在动物,植物,真菌甚至细菌中发现了每日循环。对于人类,睡眠和苏醒以及荷尔蒙水平,体温和认知能力均遵循每日周期。

神经科学研究教授Paul Taghert博士说:“我们的昼夜节律的影响可能很大。例如,我们中有些人是夜猫子,而另一些人是晨云雀。”“重要的是要了解如何将这些基本的定时信息转换为大脑中控制日常节奏(包括节奏行为)的实际神经元信号。”

这些日常周期的生物控制被称为生物钟。在动物中,大脑中的生物钟可以帮助协调大多数这些身体节律,包括睡眠-觉醒周期。

昼夜节律时钟的生物化学基础已经通过进化得以保留。它涉及少量的“时钟蛋白”,它们的水平每天一次受控地上升和下降。

但是,科学家们长期以来一直困惑于每天两次或两次以上的由昼夜节律控制的行为和生理变化与每天一次时钟蛋白的上升和下降相对应。果蝇果蝇,例如,每天两次行为上活跃,在早晨和傍晚。

泰格(Taghert)以及研究生Xixi Liang和神经科学副教授Timothy Holy一起问,时钟蛋白中的一个生化峰如何导致一天中不同时间的两个不同的活性峰。他们想知道神经元计时电路是每天产生单个信号还是一天中产生多个信号。

为了回答这个问题,梁先生每10分钟进行一次全脑扫描,对果蝇进行24小时的扫描。果蝇在昼夜节律研究中被广泛使用,因为每只苍蝇的微小大脑中的时钟仅由150个守时或所谓的起搏器神经元代表,因此比大动物的时钟更容易解剖。例如,即使在小鼠中,昼夜节律系统也会在大脑中称为视交叉上核的部分中包含约20,000个起搏器神经元。

实验测量了起搏器细胞内的钙水平,以评估细胞的活性-较高的钙水平表明较高的神经元活化水平。出乎意料的是,每个起搏器组都表现出不同的活动阶段。这些活动模式对环境信号(如日长)和生物钟敏感。研究人员发现,一组特定的起搏器神经元在苍蝇的早晨活动高峰之前约四个小时活跃,而另一组特定的起搏神经元在苍蝇的夜间活动之前约四个小时活跃。

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