Nature：骆利群院士发文颠覆传统：小脑，不仅仅控制平衡
2017-03-23 Nathan Collins 生物探索
人们对小脑的认识往往与身体平衡，肌肉伸张，运动调节有关。但与多研究都暗示小脑可能与更高级的大脑功能也存在关联。近日，来自斯坦福大学的一项研究利用新技术观察小脑中的颗粒细胞为这种猜想提供了有力证据——小脑能够编码奖励期望。这项研究发表于Nature上。
紧挨在大脑半球后方小脑似乎总不如它的邻居受到的关注多。不同于大脑掌管人类的智力、思想和规划，并将我们人类与其他物种拉开距离。小脑，如同它的字面意思，长久以来被认为仅仅是帮助我们保持平衡及呼吸。
不过，近日发表于Nature上的一项研究颠覆了我们的传统观念。来自斯坦福研究人员表明，小脑内的神经元能够响应并学习期望奖赏。这向长期以来一直被忽视的小脑研究迈出了第一步，并且为那些对认知根源感兴趣的科学家们开辟了的研究道路。
传统思维：小脑和思考没啥关系
长期以来，科学家们一直认为，小脑帮助控制肌肉，主要是因为小脑受伤所产生的后果。该研究的共通讯作者，斯坦福大学神经科学研究所的著名华人科学家骆利群说：“如果你小脑被破坏，那么你第一个症状就是运动协调缺陷。”
诚然，有一些研究暗示小脑可能有更重要的作用。但科学家们很难弄清楚这背后的机制，部分原因是由于组成小脑的大部分神经元很难研究。这些这些神经元被称为颗粒细胞（granule cell），它们主要功能是把信号传递给浦肯野细胞。颗粒细胞数量庞大，占大脑中神经元的80％——所有的颗粒细胞都塞在小脑里，但是只占了它体积的10%。在这样高密度下，用于记录细胞活性的常规技术不能很好地起作用，并且没有实时研究颗粒细胞的有效方法，对于小脑到底做了些什么，科学家们仍然不清楚。
绿色荧光为颗粒细胞 图片来源：参考文献
新技术开启新研究领域
Mark Wagner是骆利群实验室的一个博士后研究员，他和Mark Schnitzer实验室的Tony Kim共同完成了这项研究。Wagner期初并没有打算为小脑“正名”，他只想研究小鼠中小脑如何控制肌肉。在这项实验中，Wagner使用了一种新技术，这将允许他实时记录颗粒细胞。
Wagner与Schnitzer的工作让他获得了博士学位，Schnitzer发明了一种新方法在果蝇，老鼠和其他活体动物中成像神经元活动。这种被称为双光子钙成像（two-photon calcium imaging）的方法具有Wagner研究小鼠颗粒细胞活动所需的分辨率。
为了研究运动控制，研究人员必须让小鼠移动。在这个实验中，研究人员让小鼠推动小杠杆，然后给予它们糖水奖励。Wagner记录这个过程中每只小鼠颗粒细胞的活动情况，并试图寻找这些细胞中可能与规划并执行手臂运动相关的活动。
从某种程度上来说，他的想法是对的，当动物运动时，一些颗粒细胞会放电。但是，令人意想不到是，当小鼠在等待糖水奖励时，另一些颗粒细胞也出现放电。当Wagner偷偷地拿走了糖水奖励，还是有其他颗粒细胞放电。
骆利群表示：“这其实是一个侧面观察，这些细胞实际上响应奖励。”
将大脑连接在一起
这个发现是一个启示。 50多多年来，科学家们一直认为颗粒细胞以及小脑只执行最基本的功能。但事实上，没有人有工具能仔细观察颗粒细胞的运动，“我们只是不知道。” Wagner说。
现在科学家们能更好地了解到底发生了什么，Wagner的希望是这项研究可以开启新世界的大门。 “鉴于大部分神经元都存在于小脑中，然而将小脑整合到更大的环境中以研究大脑如何处理任务，这方面取得的进展相对较少，并且大部分这种割裂开来的研究都建立在这样的假设上——小脑只参与运动任务。” Wagner说。
“我希望这项研究能允许我们将它与更广泛的大脑区域，如大脑皮层的研究统一起来，我们可以把它们放在一起研究，以弄清楚我们大脑里面发生了什么。”Wager说。
原始出处：
Mark J. Wagner，Tony Hyun Kim，Joan Savall，et al.Cerebellar granule cells encode the expectation of reward.Nature 2017.
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