神经科学家利用蝙蝠寻求解开大脑三维空间导航的秘密

揭开人和动物大脑方位感知与空间导航的秘密,一直是一个令人着迷的问题.科学家通过对大鼠和蝙蝠等动物近50年的研究,使我们对大脑二维(2 dimension, 2D)导航的神经基础有了较清楚的认识.研究发现,在海马和内嗅皮质等脑区有专门的导航细胞,包括位置细胞、网格细胞、边界细胞、头朝向细胞等.这些细胞及它们的"细胞域"可为2D空间导航提供"空间认知地图"或"心灵环境地图"和"指南针".然而,人和大量动物都生活在三维(3 dimension, 3D)空间中,大脑如何完成3D空间环境下的定位和导航?近年来,通过对爬行和飞行状态蝙蝠的研究,发现参与2D导航的那些细胞在3D空间下反应特性和模式均发生明显变化;蝙蝠属于社会性和群居性动物,研究还发现在其海马内存在社交位置细胞和目标方向角调谐细胞,分别负责获取环境中其他蝙蝠位置的踪迹信息以及目标的方向信息.由此可见,脑内这些空间定位细胞构成了导航的神经基础,并经过复杂的功能整合,构成了一个位于脑内的"微型全球定位系统",且在细胞水平上阐释了这种高级认知功能的原理.本文简要介绍了Nachum Ulanovsky等人近些年对蝙蝠大脑3D导航的研究.     

梳妆打扮为哪般

蝙蝠是具有真正飞翔能力的一类哺乳动物,全世界已被描述的蝙蝠有一千多种,属于翼手目动物,可进一步被区分为大蝠亚目和小蝠亚目。小蝠类分布广泛,以捕食昆虫为主,但它们的眼睛很小,具有回声定位功能——一种用声音来＂看＂的感觉能力。     

迁徙鸟类如何发现其迁移路线?

迁徙鸟类的导航是一个相当复杂的过程,涉及鸟类对环境的感受、神经生理反应、自由基对的化学反应等多种机制.鸟类之所以能准确地找到其迁徙路线,外界信号感受与神经处理机制的共同作用至关重要.外界信号感受是迁徙鸟类对信号因子(偏振光、气味、次声波、地磁场等)的识别过程.可能存在的信号感受有视觉感受、嗅觉感受、听觉感受、地磁感受.神经机制是迁徙鸟类感受到外界信号后,传递信息到大脑特定区域,进行整合分析,对迁徙方向做出准确判断的过程.已发现的神经机制有视觉神经机制、嗅觉神经机制、磁感受神经机制.尽管在外界信号感受与神经机制方面还有许多未解决的难题,新技术与模式动物的应用将有助于进一步揭示确切的机制.     

磁导航技术的发展与临床应用

21世纪以来,随着工业化水平的不断提高,我们对磁导航系统进行了不断改造,计算机辅助技术、影像学技术等多学科的交叉融合,促进了磁导航技术的广泛应用.目前,该技术在心脑血管、消化道和呼吸道的导航中表现出极大的优势.磁导航手术系统作为该技术的操作平台,是多学科技术优化整合的产物.该系统的概念最初于1984年提出,历经四代产品的不断发展,其功能更加完善.与传统操作相比,磁导航技术创伤小、操作简单、治疗效果显著,有效地解决了操作中的空间位阻难题,实现了常规介入手段无法完成的操作.近年来,多中心的临床应用研究表明,磁导航下的血管介入具有更高的成功率,对于复杂病变更具有优势;磁控胶囊内镜明显缩短了检查时间,其检查适应症也进一步拓展;磁导航支气管镜提高肺外周病变的诊断率,在肺外周病变的定位与药物投送中发挥重要作用.尽管磁导航技术具有巨大的优势,但依然存在很多局限性:磁导航技术的应用有一定的适应症,对体内金属植入物可能造成不良影响.典型的梯度磁场无法实现对响应装置的更精确控制,磁控胶囊内镜的观察存在一定的视觉盲区,尚不能实现常规内镜下的治疗性操作.目前,该技术的研究方向集中在控制方式的探索、响应装置的设计以及应用范围的进一步扩展.例如,近年来出现的闭环控制方式、胶囊内镜针刺结构的植入等,以期待实现对响应装置更精确的控制与更多的内镜下操作.本文通过对磁导航技术发展过程的回顾,对其临床应用进行综述.     

地磁场与动物感磁

地球上生物的起源和演化都在地球磁场的重要保护中进行.在长期的演化过程中,动物具有了感磁能力以适应地磁场环境,从而帮助动物能够更好地完成其生理活动.揭示地磁场变化与生物圈演化之间的联系,理解现在、过去和未来地磁场变化的生物学效应是生物地磁学研究的主要目标.已有研究发现,许多动物可利用地磁场信息进行定向和导航;地磁场是维持地球生物正常的生理活动和生长发育必不可少的环境因子.本文围绕地磁场与动物地磁导航以及地磁场减弱对动物的可能影响两个方面进行评述.主要阐述动物地磁导航研究在行为学、神经生理学、生物磁学等方面的进展和有关动物感磁机理的3种假说:电磁感应假说、基于磁铁矿感磁假说和基于自由基感磁假说.讨论地磁场变化(磁场强度降低)引起动物生理活动和生长发育异常等多方面的生物学效应,并提出磁场变化引起生物学效应的3种可能途径:磁性金属途径、自由基途径和骨架蛋白途径.细胞内的磁性物质、自由基产物或骨架蛋白可能是动物响应磁场的中介物,它们引起生物体不同水平上的效应.随着现代多学科交叉融合和新实验技术的应用,可以预见在不久的将来人们可以更加准确地在分子水平上解析出动物响应地磁场变化的作用机理.     

新知短信

为了生存,捕食者进化出越来越强的猎食技能;同样为了活下去,猎物们有了越来越有效的逃跑。这里的游戏规则并不只是“弱肉强食”那么简单,谁是最后的赢家,就看谁装备了更先进的武器。破解回声定位——动物世界的军备竞赛许多蝙蝠能够通过回声定位法准确地探测、跟踪并捕获猎物,然而,可怜的猎物们可不是个个都自认倒霉、束手就擒的,不少猎物通过祖祖辈辈的修炼,还真的练就了一身“蝠口脱险”的逃跑绝技。科学家发现,有些昆虫,如甲虫、纺织娘、草蜻蛉和许多蛾子,都具备破解回声定位的秘密武器。当靠回声定位猎食的蝙蝠发出的超声波触动到这些昆…     

蝙蝠超声系统的“精细结构”——声全息系统

从生物物理学和仿生学的角度出发,人们对蝙蝠、海豚和鲸类等辨别方向和寻觅食物的超声感觉系统,已经作了大量的研究工作,得到了许多可贵的资料。因此,对它们的超声系统已经有了初步了解。但从目前的资料分析,似乎用回声定位法来解释蝙蝠和海豚高灵敏度的定位、测向的感觉系统,不能令人满     

下丘脑AgRP神经元调控食欲和体重研究进展

食欲和体重稳态调控是动物维持生存的重要机制.中枢神经系统内的下丘脑是机体能量平衡调控的中心.下丘脑对外周的各种激素和营养素信号做出反应从而调控能量代谢.下丘脑弓状核内的AgRP神经元是饥饿敏感神经元,在能量缺乏时被激活,从而引起进食行为. AgRP神经元调控食欲和体重的分子机制较为复杂,涉及到激素、神经递质和受体,以及神经元内的多种调控分子(如炎症激酶IKK?).此外, AgRP神经元与下丘脑及下丘脑外神经元之间形成复杂的神经环路,从而调控食欲和体重.本文将从AgRP神经元的上游、下游和神经元内的分子调控机制,以及相关的神经环路作一回顾.     

地磁场与生物的磁感应现象

两千多年前,人类发明了指南针用于辨别方向;而如今科学家们发现,很多动物也能利用体内的生物指南针感应磁场。笔者从磁场的产生入手,详细介绍了地磁场的性质和生物磁感应现象的产生。候鸟是最早被注意到能利用磁场导航,且目前已获得最多磁生物学研究结果的一类高等生物。大量的行为学实验证明,候鸟在长距离迁徙的过程中主要靠对地磁场的感应来确定方向,它们的大脑能记录下每一个特殊地点的磁特征,并据此找出到达各个目的地的飞行路线。不仅如此,部分鸟类的磁导航还有一定程度的蓝光依赖性、会受到异常磁场的干扰,这种现象可以用生物磁受体的磁铁矿的感应假说和化学感受假说来解释。很多生物,包括人类也都有与候鸟类似的磁受体,有些动物能用它们感受磁场并以此作为视觉和听觉的辅助,而其他生物的磁感应能力也许已经在进化的某个阶段被别的功能替代或是直接消失了。目前人们对于生物磁现象的研究才刚刚起步,还有很多未知的谜团等待我们去揭开,希望在不久的将来能看到更多令人惊讶的实验结果。     

高通量测序解析哺乳动物飞行进化的分子机制

蝙蝠(bats)是唯一能够自主飞行的哺乳动物,其前肢进化为翼手,手臂和手指显著延长,手指之间具有宽阔的指间膜.蝙蝠翼手发育与进化的分子机制,虽然已有十几年的研究历史,但仍然不明确.近期,利用先进的高通量测序技术,包括全基因组测序、转录组测序(RNA-Seq)和染色质免疫沉淀测序(Ch IP-Seq),研究者们发现大量调控蝙蝠翼手发育的差异表达基因和调控元件,证明蝙蝠翼手形成的主要原因是多基因表达模式的改变和表达调控元件的适应性分子进化.未来研究哺乳动物飞行进化的分子机制问题,应关注关键基因和重要调控元件的功能以及基因间的相互作用.     

大棕蝠下丘神经元对双声刺激的前掩蔽效应

以回声定位蝙蝠作为实验动物, 研究下丘神经元对双声刺激听反应的前掩蔽效应. 结果表明, 蝙蝠下丘神经元对双声刺激听反应存在明显的前掩蔽效应. 并且随双声间隔时间的缩短, 神经元对探测声强度的敏感性增强; 掩蔽效应的强弱与双声的相对强度和间隔时间有关, 即前掩蔽效应随掩蔽声强度的降低而减弱, 随探测声强度的减小和双声间隔时间的缩短而增强. 推测下丘神经元对探测声的反应特性与其突触后电流的状态相关联.     

番茄系统抗性反应的信号转导

番茄中受伤诱导的蛋白酶抑制剂(PIs)为阐明植物系统性抗性反应信号转导途径的分子基础提供了一个理想的模式系统. 在这一模式系统中, 与日俱增的证据表明多肽信号分子系统素和来源于不饱和脂肪酸的植物激素茉莉酸都具有信号分子的功能, 二者通过一个共同的信号转导途径激活蛋白酶抑制剂和其他抗性相关基因的表达, 从而使植物产生抗性. 然而, 关于这些信号分子如何相互作用而促进细胞间长距离信号传递所知甚少. 对番茄中由系统素/茉莉酸共同介导的蛋白酶抑制剂基因的表达过程进行遗传解析, 为全面认识多肽和氧化脂类信号分子在调控植物系统性抗性反应中的作用机制提供了独特的契机. 以前的研究认为, 系统素是诱导抗性基因表达的长距离运输的信号分子. 但是最近的遗传分析表明, 系统抗性反应中长距离运输的信号分子是茉莉酸而不是系统素, 系统素的作用在于调控茉莉酸的生物合成.     

神经、内分泌、免疫网络的通用生物学语言

在神经、内分泌、免疫三大机体调节系统 ,存在交互的信息传递机制 ,使三大系统的活动协调一致 .其分子结构基础是存在神经、内分泌和免疫系统共有、共用的一些化学信号分子和受体 ,它们被称为网络的通用语言 ,是各系统协同作用的关键因素 .     

漫谈扁颅蝠

许多人都以为蝙蝠是一类可怕的动物,说到蝙蝠就让人想起幽灵和吸血鬼.其实这完全是人们对蝙蝠的偏见,是人们对蝙蝠缺乏基本的了解.实际上绝大部分蝙蝠对人类来说是有益的哺乳动物,特别是食虫蝙蝠,有的种类一夜可以吃掉相当于它们体重1/3～1/2的昆虫,因此食虫蝙蝠对农业生产的贡献很大,是庄稼的卫士.还有的蝙蝠不仅吃虫子,而且性情温和,相貌可爱,习性奇特.扁颅蝠就是这样一类动物.     

猫头鹰的视觉

人们一定曾经注意到许多动物的行为,会随着自然界昼夜节律的交替而改变.例如,当夜幕降临时,一些夜行性昆虫和蝙蝠等,就开始在天空中翩翩起舞;而不少家禽和鸟类则纷纷归巢.从整个动物界来看,根据它们昼夜活动的习性不同,可以分成为昼行性动物和夜行性动物两大类.例如许多昆虫由于它们的复眼能检测紫外光,而且又有灵敏的嗅觉等,因而具有夜间活动的木领、啮齿类动物由于其嗅觉系统特别发达,蝙蝠则由于有回声定位系统,因而也都具有夜行的习性.绝大多数鸟类(包括鸡、鸽等),由于在它们眼睛的视网膜上对弱光起反     

突触骨架重塑调控吗啡戒断负性记忆的分子机制进展简

成瘾性药物戒断所产生的负性情绪记忆被认为是导致强迫性用药的主要原因. 戒断会引起相关脑区发生诸如突触传递和神经结构可塑性等适应性变化,这种适应性变化最终会引起病理性记忆的形成. 研究表明,肌动蛋白actin骨架重塑与突触可塑性以及记忆的形成关系密切,然而对其调控记忆的分子机制知之甚少. 最近,本研究小组围绕吗啡戒断负性情绪记忆的形成机制展开研究,在整体水平上阐述了突触骨架actin及其一系列下游信号参与调控吗啡戒断负性记忆的分子机制. 本文将讨论近年来突触结构可塑性参与调控成瘾性药物负性记忆形成的最新进展,着重探讨阿片类物质成瘾负性动机的形成机制,有助于深入了解成瘾形成的分子机制,为成瘾的研究和治疗提供新思路.     

突触骨架重塑调控吗啡戒断负性记忆的分子机制进展

成瘾性药物戒断所产生的负性情绪记忆被认为是导致强迫性用药的主要原因.戒断会引起相关脑区发生诸如突触传递和神经结构可塑性等适应性变化,这种适应性变化最终会引起病理性记忆的形成.研究表明,肌动蛋白actin骨架重塑与突触可塑性以及记忆的形成关系密切,然而对其调控记忆的分子机制知之甚少.最近,本研究小组围绕吗啡戒断负性情绪记忆的形成机制展开研究,在整体水平上阐述了突触骨架actin及其一系列下游信号参与调控吗啡戒断负性记忆的分子机制.本文将讨论近年来突触结构可塑性参与调控成瘾性药物负性记忆形成的最新进展,着重探讨阿片类物质成瘾负性动机的形成机制,有助于深入了解成瘾形成的分子机制,为成瘾的研究和治疗提供新思路.     

动物机器人:研究基础、关键技术及发展预测

动物机器人利用动物固有的感知、运动、能量供应和神经系统,通过神经信息干预,实现对生物运动行为的控制.这类特殊的机器人在运动稳定性、灵活性、环境适应性和自身运动能量供应等方面保持了天然的优势,具有重要的应用价值;同时,该研究涉及动物运动神经网络及外部调控信息与固有运动神经信息的交互作用机制等重大理论问题,是神经科学和机器人交互领域的重要研究方向.该研究高度融合了动物智能和机器智能,涉及动物行为学、神经科学、微机电技术、力学和通信技术等,是多学科交叉融合的前沿领域.本文回顾动物运动神经系统与运动行为调控之间的关系,系统梳理不同动物机器人的运动调控方法及系统构成,总结活动在水、陆、空不同空间中典型动物运动行为调控的研究进展,归纳分析动物机器人研究在运动调控方法、微电极植入、微刺激系统、通信导航和能量供应等研究中面临的关键问题,并预测未来的发展趋势.     

觉传导机理及仿生嗅觉传感器的研究进展

嗅觉对所有动物而言都是一种极其重要的生理感觉. 近年来, 人们对嗅觉传导机理的研究取得了很大进展, 尤其是嗅觉受体基因超家族的突破性发现推动了国际上嗅觉研究的快速发展. 随着嗅觉传导机理研究的不断深入, 加上仿生嗅觉传感器具有潜在的商业价值和工业应用前景, 对仿生嗅觉传感器的研究也取得了很大进展. 同时, 该研究对于嗅觉传导机理的研究也具有重要的促进作用. 本文综合评述了近年来国际上嗅觉传导机理和仿生嗅觉传感器研究的最新进展. 从嗅觉信号传导的神经通路、嗅神经元对气味分子信号的转导机制、嗅球对嗅觉信号的编码和处理、嗅皮层对嗅觉信号的感知以及仿生嗅觉传感器进行了综述. 最后也介绍了我们在仿生嗅觉传感器方面的研究进展.     

哺乳动物视锥蛋白基因进化研究进展

视觉对于生物进化有重要意义, 生物可以调整它们的视觉系统以应付它们所处的特定的光环境. 认识和了解生物视觉系统感知的分子机制尤为重要, 视蛋白基因氨基酸序列(基因型)和色素吸收光谱值λ_max (表型)之间的关联使视蛋白基因成为研究视觉进化的一个很好的模式系统. 研究表明, 视蛋白基因以及视锥色素在哺乳动物进化中表现出显著的多样性, 视觉感知的分子机制远比人们以前所认知的更为复杂和扑朔迷离. 本文将评述近年来哺乳动物重要类群中视觉系统视蛋白基因进化研究进展, 为进一步深入研究哺乳动物视觉感知的分子机制提供基础资料.