頭腦如何維持最佳狀態？保持正確的細胞節律

Brain works best when cells keep right rhythms
http://www.physorg.com/news159973996.html

April 26th, 2009

俗云我們每個人「走自己的路（marches to the beat of a different drum）」，不過史丹佛大學的新研究指出，腦細胞需要遵循特定節律，為維持適當腦部運作，那是必要的。這些節律在精神分裂症與自閉症這樣的疾病裡顯然沒有正確運作，而本週將分別在 Nature 以及 Science 線上版發表的二篇論文證明，精確調整某些神經元的振盪頻率能影響腦部如何處理資訊以及實現報償的感覺（implements feelings of reward）。

"一種一致的主題在腦部節律與「心律不整（arrhythmias）」中，" Karl Deisseroth 表示，MD，PhD，生物工程以及精神病學與行為科學副教授，同時也是這兩篇論文的資深作者。

心臟病學家所謂嚴重不規律心跳就是心律不整。這些新發現指出，一如那些讓心臟維持跳動的細胞（可比喻為划船隊上的艇長，那喊出划槳 (strokes，譯註：亦指心臟的跳動或中風) 的節奏），某些腦細胞也能協調振盪，那最終幫忙掌管其他細胞因這些節律而受到引導的行為。


腦袋的位元速率

在 Nature 研究中（那在 4/26 與一篇來自於 MIT 伴隨論文發表在線上，Deisseroth 與畢業生 Feng Zhang 也是該論文作者），Deisseroth 的團隊聚焦在老鼠神經元上，那製造一種被稱為 parvalbumin（小清蛋白、小白蛋白）的蛋白質。某些研究者已在懷疑這些神經元會驅動「γ」腦波（譯註：興奮狀態，頻率在 30-80 Hz），那以 40 Hz 的頻率振盪。根據這項假說，這些腦波可能影響腦中資訊的流動。到目前為止這從未被證明過，因為沒有人能選擇性地控制神經元並觀察其對於資訊流動（或振盪）所產生的效應。

"這已成為一種十分重要的謎。我們擁有這些細胞，那可能關鍵地涉入高階、複雜的資訊處理中，而我們看見這些正在發生的振盪，可是人們真的不知該如何將所有東西湊在一起，" Deisseroth 說。"不過現在，那完全成為一件我們能利用光學方法來對付的事。"

那是因為 Desisseroth 的小組開發出一種技術，稱為光遺傳學（optogenetics），在其中，特定的細胞透過基因改造而能受到可見光脈衝的控制。該團隊以老鼠的 parvalbumin 神經元辦到這件事，並且發現，藉由刺激或抑制它們，它們能產生或壓制「γ」波，並在「位元速率（bit rate）」，或「流經腦部迴路的資訊量」中看見顯著變化。

"我們所發現的是，若你抑制（crank... down） parvalbumin 神經元，你會看見比較少的 40 Hz 振盪。如果你刺激它們（crank them up），你會看見比較多γ振盪，" Deisseroth 說。"這是這些神經元確實涉及產生這些γ腦波的第一個真正證據。"

"接著我們發現，我們在某種程度上能量化資訊流經神經迴路時的振盪效果，而且我們發現，這些振盪特別強化了資訊在這些哺乳類動物的前額葉皮質當中不同細胞類型間的流動。" Deisseroth 補充。"最終結果是，這種parvalbumin 神經元與γ振盪一起運作以強化真實資訊在腦中的流動。"

與疾病的連結來自於這項事實：在自閉症患者身上，此γ振盪顯然以錯誤的強度出現，而精神分裂症病患身上，parvalbumin 神經元的數量顯然太少。

"這是一種同時與精神分裂症以及自閉症相關的新觀點，其中的症狀是資訊進入了，但它不盡然能被正確地處理，" Deisseroth 說。

這篇論文的第一作者是 Zhang 與精神病學家 Vikaas Sohal, MD.，而博士後研究者 Ofer Yizhar, PhD 亦對此研究有貢獻。這項研究由大學與數家基金會所資助，包括 NIH、McKnight 基金會、Coulter 基金會以及 William M. Keck 基金會。


感覺報償

在 Science 論文中，那將於 4/23 發表在 Science Express 上，Deisseroth 領導一個包含史丹佛與 UCSF 研究者的團隊以研究「控制神經元（那散發腦化學物質多巴胺）振盪的效應」。這個小組（由神經科學、生物工程以及精神病學研究者組成）想要看看，振盪改變是否會導致自由活動（freely-behaving）的老鼠感覺到變化中的報償（reward）程度。

為了進行實驗，他們從光遺傳學方面，在老鼠腦部某一特定區域中，改造了多巴胺神經元。他們接著將老鼠至於橫向隔成三個小隔間的盒子中。起先，沒有一隻老鼠具有可預測的、要佔據哪個小隔間的偏好。研究者接著將牠們暴露在某種狀態中二天，其中，當牠們在某一端小隔間時，牠們被改造過的多巴胺神經元暴露在高頻光脈衝下，而在另一端小隔間時，則是低頻光脈衝。特別的是，這些老鼠被分為兩組，在其中，不同的刺激與這個盒子相對的一端相關。

在實驗結束時，這些老鼠被置於中間的小隔間裡，而且沒有暴露在其他光脈衝下。每一隻老鼠都偏好回到其多巴胺神經元受到高頻光脈衝之處，這指出以高頻節律轟炸多巴胺神經元與較強的報賞學習相關。

"我們以不同節律來測試多巴胺神經元，而且我們發現，頻率較低的節律效果十分有限，不過高頻轟炸在引起這種行為的報償效應上，功效強大，" Deisseroth 說。"對於多巴胺神經元的更多了解不僅涉及直接利用這些報償感覺的藥物濫用，也涉及到憂鬱症，因為罹患憂鬱症的人們，其最顯著的以及使人耗弱的症狀是無法享受事物。"

在某些意義上，這些論文指出，那些無法清楚思考或感覺快樂的人們也許只是（節律）不一致，或著他們擁有根本沒有節律的腦細胞。（後略譯）

※ 這種節律像電子產品中的時脈。相關報導：

＊ MIT 研究者以雷射誘發老鼠 γ 腦波

＊ Parvalbumin neurons and gamma rhythms enhance cortical circuit performance
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/abs/nature07991.html
http://dx.doi.org/10.1038/nature07991

Vikaas S. Sohal, Feng Zhang, Ofer Yizhar & Karl Deisseroth
Nature advance online publication 26 April 2009
doi: 10.1038/nature07991

＊ Phasic Firing in Dopaminergic Neurons Is Sufficient for Behavioral Conditioning
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1168878

Hsing-Chen Tsai, Feng Zhang, Antoine Adamantidis,
Garret D. Stuber, Antonello Bonci, Luis de Lecea,
Karl Deisseroth
Science Published Online April 23, 2009
doi: 10.1126/science.1168878

＊ 聰明學習的方法：複習＋時機
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