神经植入一次监控多个脑区,神经科学提供了新的见解

大脑的不同部分是如何相互交流在学习和记忆形成?一项新的研究由加利福尼亚圣地亚哥大学的研究人员需要在回答这个基本神经科学问题的第一步。

这项研究是通过开发一个神经植入显示器的不同部分的活动大脑同时,从表面到深层结构的第一个。使用这种新技术,研究人员表明,不同模式已知两个脑区之间的双向通信发生在学习和记忆中发挥作用,海马和大脑皮质。研究还表明,这些不同的沟通模式与事件称为尖波涟漪,这发生在海马体在睡眠和休息。

研究人员4月19日在公布他们的发现自然神经科学。

“这项技术开发尤其是同时研究大脑不同区域之间的互动和沟通,“说共同通讯作者Duygu Kuzum,电气和计算机工程教授在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院。“我们的神经植入是万能的;它可以应用于任何的大脑区域,可以使研究其他皮层和皮层下脑区,不仅海马体和大脑皮层。”

“对不同的大脑区域是如何一起工作来产生认知和行为,“高木说Komiyama,神经生物学和神经科学教授和加州大学圣地亚哥分校医学院的生物科学分工,谁是这项研究的其他共同通讯作者。“在研究一个大脑区域的传统方法相比,本研究中引入的新技术将使我们学习大脑作为一个整体是如何工作的控制行为和如何过程可能会损害神经障碍”。

神经植入物是由一层薄薄的,透明,弹性聚合物带用微米大小的数组制作的金电极,在这铂纳米颗粒沉积。每个电极由micrometers-thin电线连接到定制印花电路板。Kuzum的实验室开发的植体。他们曾与Komiyama的实验室进行转基因小鼠的脑成像研究。

工程多用神经探针

这个神经植入的独特之处在于,它可以用来监视活动同时在多个脑区。它可以记录电信号从单一神经元的大脑深处,像在海马体,成像大面积像大脑皮层。

“我们的调查使我们能够无缝地结合这些方式在同一个实验。与现有技术无法做到这一点,”刘鑫说电气和计算机工程博士生Kuzum实验室。刘co-first作者的研究随着任气,最近加州大学圣地亚哥分校生物科学博士毕业生现在Komiyama的实验室的一位博士后研究员,一尘路,电子和计算机工程博士生Kuzum的实验室。

几个设计特点使多区监测成为可能。这个调查是灵活的。深插入时大脑监测区域像海马体,伸出的部分大脑可以弯下腰,使显微镜的空间降低接近表面的成像大脑皮层的同时。常规神经探针是刚性的,所以他们在显微镜的方法;结果,他们不能用来监测深部脑结构成像时大脑的表面。尽管加州大学圣地亚哥分校的团队神经探针柔软和灵活,工程在插入承受压力下屈曲。

另一个重要特性是,这个探针是透明的,所以它给显微镜一个清晰的视野。它也不产生任何阴影或额外的噪音在成像。

探索神经科学基本问题

本研究的动机是不同的认知过程的根源,如学习和记忆形成,发生在大脑。这些过程涉及海马体和大脑皮层之间的通信。但这种沟通究竟是怎么发生的呢?海马体和大脑区域发起这个交流:或大脑皮层?这些类型的问题一直没有回答,因为它是非常困难的研究这两个大脑区域同时,Kuzum说。

“我们非常有兴趣调查cortical-hippocampal交互的本质,所以我们建立了一个神经科学技术来探索这个问题,”她说。

研究人员用他们的调查监测的活动在转基因小鼠海马和大脑皮层。具体来说,他们监视活动之前,期间和之后发生的振荡在海马体称为尖波涟漪。

他们的实验显示,海马体和大脑皮层之间的通信是两面:有时皮层发起通信,其他时候的海马体。这是一个重要的第一个线索理解开放型沟通的大脑,研究人员说。

“hippocampal-cortical互动是很重要的在内存中合并和检索,“任说。“这里的双边交流我们报道不同的传统观念,从海马皮层被动地接收信息。相反,大脑皮层是积极参与编码信息进入大脑,可能在记忆的巩固和检索发挥有益的作用。”

“我们现在可以开始新的研究解锁过程怎样学习和记忆发生,“Kuzum说。“例如,当大脑获得新的信息,海马体是如何转移大脑皮层的记忆存储,还是皮层发送信号传输的记忆?我们的研究结果表明,沟通可以发起,但超越,我们需要做行为研究。”

这项研究还显示,有不同和不同的模式沟通海马体和大脑皮层之间。研究人员发现,海马体与至少八个不同的部分大脑皮层每次尖波涟漪。此外,每种八皮质活动模式与不同人群的海马神经元。

“这些发现表明,脑区之间的相互作用,不仅在皮层和海马之间,可以从根本上多样化和灵活。因此,多个大脑区域可以有效地一起工作来产生认知和行为迅速适应不断变化的环境中,”任说。