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Nature:乳动物大脑皮层中温度的细胞编码

日期: 来源:生物医学科研之家收集编辑:蕾玖

   

     

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论文ID
题目:The cellular coding of temperature in the mammalian cortex
期刊:Nature
IF:69.504
发表时间:2023年2月8日
通讯作者单位:马克斯·德尔布吕克分子医学中心
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05705-5
主要内容:
大脑皮层是大脑的外层折叠层。它包含一个专门用于表示温度的神经元细胞群。这个 "热皮层 "中的神经元的活动对于升温和降温是不同的,并且是感知温度所必需的。
大脑的皮层包含了每个主要感觉系统的独立区域。这些 "感觉皮层 "由神经元细胞组成,它们的活动被调整为特定的感觉特征(如刺激的速度或振幅),并共同作用于感觉信息的感知。哺乳动物对温度的微小变化高度敏感,通常可以区分相差不到0.5℃的温度;然而,对温度做出反应的皮层神经元仍然难以捉摸。以前在人类和其他哺乳动物身上的工作表明,各种皮层区域都参与了热处理,但它使用的技术不能监测单细胞。作者的目的是确定温度感知所需的皮层区域,并确定皮层神经元如何代表皮肤的升温和降温。
作者使用了一种广泛的成像方法来搜索大脑皮层中对皮肤温度变化有反应的区域(图1a)。一个很好的候选区域是初级体感皮层,作者知道它对触摸和冷却有反应。然而,令人惊讶的是,虽然它对冷有反应,但对热没有反应--这不是一个专门的 "热皮层 "的理想特征。作者接下来检查了小鼠大脑中被称为后部岛状皮层(pIC)的一个区域。在这里,作者发现热反应区域被组织成一个 "体位 "图,其中相邻的神经元编码来自身体相邻点的信息(图1b)。作者用一种叫做双光子成像的技术来检查与前爪相连的pIC区域,以显示那里的神经元只对暖气、只对冷气或对暖气和冷气都有反应(图1c)。
此外,正如专门的感觉皮层区域所预期的那样,pIC神经元对热刺激的不同方面表现出动态反应。耐人寻味的是,暖色和冷色编码的许多特征是不同的;例如,暖色诱发了比冷色更长的延迟和更长时间的反应。使用一种称为光遗传学的技术,作者表明,pIC的快速、可逆的失活降低了小鼠感知温度的能力,证实了该区域在温度感知中的深刻作用。
作者的工作证明了皮肤温度在大脑皮层中的复杂的细胞表现。皮质对温暖的反应与对凉爽的反应相比有差异,这意味着凉爽和温暖不仅仅是同一感觉尺度的两端,而是类似于由不同的神经通路感知的感觉亚模式。
皮质包含几个层次和细胞类型,到目前为止,只在皮质第2和第3层调查了pIC兴奋性神经元的热编码。因此,作者还没有一个完整的pIC中的热表征图。有趣的是,一些皮质细胞的反应似乎与在支配皮肤的感觉神经元中观察到的反应非常相似,而其他的反应,如编码绝对温度的细胞的类似温度计的反应,则不是这样。大脑皮层可以转化和放大感觉输入的特定方面;而PIC是否这样做还不清楚。
这项工作提供了一个平台,以了解皮层对热信息的处理。未来的实验也许能够研究皮质细胞的活动,以回答关于热感知的长期困惑,如温度适应在感知中的作用,区分冷暖的细胞机制,以及冷暖感知是由混合还是独立的神经元通路驱动。要解决这些问题,需要检查不同类型的皮质神经元的编码特性,并确定来自大脑其他部分的驱动皮质热反应的输入。在处理物体时,热和触觉信息是结合在一起的,作者希望通过更复杂的行为任务来解决这一整合过程。更广泛地说,在作者的实验中观察到与以前在苍蝇身上看到的类似的热编码特征后,作者感到很好奇。未来的跨物种比较工作可能有助于确定热处理的关键计算。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05705-5


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M教授,博士生导师。北京大学博士,斯坦福大学博士后,欧盟Erasmus+访问学者。主要从事肿瘤分子生物学,药理学等研究,在相关领域取得了令人瞩目的成就。在Blood、Cancer Research、Oncogene、Journal of Clinical Investigation、Journal of Biological Chemistry等著名杂志已发表研究论文60多篇,IF>400。主持重点国合等项目。评审重点、重点国合、优青、杰青等不同类型项目,经验丰富。


国自然专家三:

W教授,国内某高校教授,博士生导师。作为课题负责人先后主持肠道菌群与代谢组学研究国家级课题和部省级课题多项,并先后承担多项973计划课题中有关代谢组学方面的研究课题。所带领的团队主要采用代谢组学、生态学、生物信息学、分子生物学等多种宏观与微观相结合的方法,从宿主代谢与菌群微生态交互作用的角度对胃肠道疾病、神经退行性疾病的菌-肠-脑机制进行研究。目前已发表多篇SCI论文,在肠道菌群、代谢组学数据分析策略等相关领域受到了广泛关注和认可。


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国自然专家五:

S教授,博士生导师,研究员,百名青年学科带头人。主要从事单细胞组学、空间组学及表观组学的生物信息分析与调控机制解析。

S教授长期从事单细胞以及表观组学的生物信息学分析及功能研究。阐明RNA修饰调控多种生理(胚胎发育、精子发生、神经发育等)和病理过程(肿瘤发生、肥胖等)的分子机理,并通过单细胞组学揭示癌症等疾病发生的分子机制。其科研成果以(共同)第一作者发表于Nature,Nature Cell Biology,Science Translational Medicine,Molecular Cell, Cell Research等多个具有国际影响力的权威期刊上,引用超过4000次。


国自然专家六:

H教授,博士生导师,主持国家重点研发计划“干细胞及转化研究”重点专项(首席科学家)、国家自然科学基金(5项)、国家重点研发计划发育编程及其代谢调节重点专项PI、上海市科委重大课题等30余项课题,累计经费9600万元。发表论文72篇,其中SCI论文42篇,总影响因子323。以第一作者或通讯作者(含共同)发表SCI论文25篇,总影响因子186,4篇影响因子大于20。申请专利11项,其中5项已授权,国际PCT专利1项。参加专著和国家统编教材编写9部,承担教学课题和学生创新指导课题8项。研究成果被评为中国科学十大进展、细胞出版社中国年度论文、上海市优秀发明金奖、上海医学科技奖二等奖、浦东新区科技进步一等奖等。


国自然专家七:

Q教授,博士生导师,博士生导师,重塑相关心血管疾病教育部重点实验室副主任。兼中国生理学会副秘书长及中国病理生理学会常务理事。长期从事代谢异常与重塑相关心血管疾病的发病机制及潜在靶点研究。在Circulation、Hepatology、J Hepatol等杂志发表论文50余篇。主持国家自然科学基金重大研究计划等项目6项,参与科技部重点研发计划2项,入选北京市海外高层次人才计划及教委长城学者计划等。

国自然专家八:

X教授,脂糖代谢实验室/重庆市重大代谢性疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项),省部级课题2项;发表通讯作者SCI 论文5篇;获得中华医学会科研奖励1项;培养博士1人,硕士16人。疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;重庆市生物化学与分子药理学重点实验室PI、脂糖代谢实验室实验室执行主任。中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项)。


国自然专家九:

L教授,医院病理科主任、博士生导师、病理学科带头人;重庆市中青年骨干教师,霍英东青年教师奖获得者;USCAP会员,国际老年痴呆协会会员,中国神经科学学会会员,多个国内外期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目4项(国家自然科学基金面上项目3项、青年基金项目1项),省部级课题3项;发表通讯作者SCI 论文二十余篇;培养博士1人,硕士23人,曾作为访问学者、访问教授分别留学加拿大、美国。


国自然专家十:

中科院研究员,中国科学院研究生院生物化学与分子生物学博士,2001-2008年任职于美国罗约拉大学医学中心神经科学部期间,曾与著名神经内分泌学专家Louis Van de Kar 教授、George Battaglia教授等合作从事神经药理学研究,共同主持和参与多项美国心脏协会和美国国家卫生部(NIH)项目。2008年回国以来主持多项国自然,评审国自然经验丰富。


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