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7月13日,在浙江大学求是高等研究院和医学院神经科学研究中心的胡海岚研究组,一只小老鼠豆豆,在众人的见证下实现了逆袭:
等级测试实验中,豆豆在一笼4鼠中处于最下游位置,第4。也就是说,排在它前面的每一只老鼠,都可以过“吃饭、睡觉、打豆豆”的日子,但豆豆只能吃饭、睡觉。
课题组改变了豆豆,他们对豆豆的一些脑神经细胞进行激活。
接下来,神奇的事情发生了——小豆豆在领地竞争中,战胜了第三名,第二名……甚至第一名。
经历了6次以上的胜利后,曾经孱弱的豆豆已经所向披靡:它可以不再借助科学家的帮助,一直保持胜利。
胜利者豆豆的大脑在发生变化,是什么令它开了挂?
2017年7月14日,胡海岚研究组在《科学》杂志上,以长文(Research Article)形式发表文章(题为《胜负经历重塑丘脑到前额叶皮层环路以调节社会竞争优势》),从神经机制角度,解答了这个问题。
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论文作者全部是女科学家 右起:周亭亭博士、导师胡海岚教授、朱鸿博士和范郑晓博士 通讯员卢绍庆/摄
豆豆(老鼠B)逆袭视频:
前半段,没有神经刺激的时候,豆豆输掉领地争夺战,仓皇退出;后半段,被光刺激的脑部神经细胞后,豆豆一闪一闪地把原本比它强的A鼠给逼出领地。
前额叶皮层神经细胞被激活,
排位垫底的小老鼠改变排行榜格局
和人类一样,老鼠和其他动物的世界里,都有稳定的等级制度存在。这种等级呈线性——一鼠压着一鼠;同时保持稳定。
胡海岚团队的研究者们以豆豆们(学名:C57小鼠)为模型,设计了一系列的实验:
科学家让两只小鼠在一个促狭的管子里相遇。处于领地占领意识,两头的小鼠都要往前冲。
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在这个过程中,它们会在管子中部相互推挤。图片来源:知乎
最终:等级地位低的小鼠,会主动退出或者被等级地位高的小鼠推出管子。
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豆豆(老鼠B)怂了
在两只小鼠在管子中竞争时,科学家正聚焦它们的前额叶皮层的神经细胞的动态活动。她们发现:当小鼠进行推挤或者抵抗住对方推挤的时候,大脑前额叶皮层的神经细胞的活动就会有显著的增加。
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额叶皮层(prefrontal cortex)所在区域 图片来源:mybrainnotes.com
这个脑区有多重要?有研究发现:恋爱中的男女前额皮层会自动暂时关闭,使得他们对对方不再怀疑或持批评态度。
胡海岚实验室的小鼠正在提示科学家们:前额叶皮层神经细胞的电活动,可能控制着小鼠在社交对抗过程中的精神战斗力,从而改变了它们的社会等级排位。
A、用药理遗传学的方法抑制高等级小鼠前额叶皮层神经细胞的活动。结果发现:这些老鼠在社交对抗中变得更加消极:推挤更少,后退更多,最终还输给了原先低等级的小鼠。
B、接着,团队又尝试去激活这群神经细胞。
他们在小鼠前额叶皮层的神经元细胞中嵌入光敏感的蛋白基因,并将光纤植入到这群神经元上方。这样蓝色激光就可以通过光纤,激活这群神经元。
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对原来等级地位第三的老鼠进行光激活后,它立马变得勇猛了
当她们打开蓝色激光器激活小鼠的前额叶皮层细胞时,戏剧性的一幕发生了:
原来等级低的老鼠在接受蓝光照射的时候,变得自信而英勇,发出了更多推挤,并且能够坚持更久,最终将原先等级低的小鼠推出了管子。
当前额叶皮层细胞被人物激活后,豆豆(老鼠B)逆袭了
研究者们继续对这些小鼠的行为进行了仔细的分析,她们发现:如果重复地用蓝色激光刺激一只低等级的小鼠,帮它赢得竞争,当次数多于6次时,之后连续几天,这只低等级小鼠就可以不依赖光刺激,自行成功逆袭,一路杀到自己成为最高等级的小鼠,并且一直将战果维持下去。
重复的胜利经历,有可能对小鼠的大脑产生了长期的改变。
这种改变发生在哪里?是怎么样的改变?
研究者发现:重复的胜利,增加了丘脑到前额叶皮层这个环路的连接强度。
“有可能是形成环路的神经突触结构发生了整体的增多,也有可能是每一个神经突触都变强了。”胡海岚解释。
如果在重复的胜利之后,人为地削弱这个环路的连接强度,则会让“胜利者效应”消失;
更加让人震惊的是:研究者用高频的光照,直接诱导这个环路的连接长时程地不断增强,这让豆豆这样原本低等级的小鼠,能够在接下来连续几天,先后战胜等级越来越高的小鼠,直到实现真正的逆袭。
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2015年,胡海岚教授应邀《细胞》杂志子刊《神经科学动态》杂志写综述,当时的封面就是胡海岚实验室的主角:老鼠。通讯员周炜/摄