2016年12月9日Science期刊精华 多巴胺神元时间感知唱好歌

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2016年12月9日Science期刊精华

多巴胺神元时间感知 唱好歌
原始细胞（protocell）内，将复制因子区室化有助缓解这些寄生物（分子寄生物（molecular parasite））带来的影响

来源：生物谷 2016-12-12 22:57

2016年12月12日/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2016年12月9日）发布，它有哪些精彩研究呢？让小编一一道来。

1.Science：开发出分泌胰岛素的人工β细胞
doi:10.1126/science.aaf4006

在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院和中国华东师范大学等机构的研究人员利用一种简单明了的工程学方法制造出人工β细胞。这些人工β细胞能够做天然的β细胞做的任何事 情：它们测量血液中的葡萄糖浓度，产生足够的胰岛素来有效地降低血糖水平。

对研究人员的新方法而言，他们使用一种基于人肾细胞的细胞系，即HEK细胞。他们使用了HEK细胞膜中天然的葡萄糖转运蛋白和钾离子通道。他们利用一种电压依赖性钙离子通道、一种产生 胰岛素或GLP-1的基因提高它们的功能，其中GLP-1是一种参与血糖水平调节的激素。

在这些人工β细胞中，HEK细胞的天然葡萄糖转运蛋白携带来自血液中的葡萄糖到细胞内部。当血糖水平超过某个阈值时，钾离子通道关闭。这会颠倒细胞膜上的电压分布，导致钙离子通道打 开。随着钙离子流进，它触发HEK细胞内在的信号转导级联事件，导致胰岛素或GLP-1的产生和分泌。

在糖尿病模式小鼠体内对这些人工β细胞的初步测试揭示出这些细胞是非常有效的：论文共同通信作者、苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系Martin Fussenegger教授说，“它们要比 迄今为止世界上任何地方获得的任何方法更长时间地更好地发挥功能。”当植入到糖尿病模式小鼠体内时，这些经过修饰的HEK细胞在三周内可靠地发挥作用，产生足够数量的调节血糖水平的 胰岛素或GLP-1。

2.Science：在小鼠脑中发现可调控时间感知的神经元
doi:10.1126/science.aah5234

在里斯本尚帕利默未知技术研究中心(Champalimaud Centre for the Unknown)的神经科学家团队已经发现，可以通过调控小鼠脑的深部区域中某些神经元的活动来诱导动物低估或高估固定时 间间隔的持续时间。换句话说，他们在小鼠的脑中第一次确定了调节判断经过时间的神经回路。

大脑是如何产生这种对时间的可变估计的？由Learning Lab实验室的项目负责人Joe Paton、博士生Sofia Soares和博士后 Bassam Atallah，给出了这个长期存在神经生物学上的问题在神经 生物学上的答案，现已发表于Science。不仅于此，他们的研究结果也可以帮助解释：为何当我们觉得有趣时，时间犹如白驹过隙，而当我们感到无聊时，时间却慢得像一只蜗牛。

Learning Lab有兴趣研究某些多巴胺释放神经元（多巴胺是大脑的化学信使之一或神经递质）在大脑深处的结构，称为中脑黑质密集体，对时间处理发挥着作用。

Paton在《Science》中写道，多巴胺神经元牵涉许多与时间估计变化相关的心理因素和失常症。诸如动机，注意力，感觉改变，新奇性，恐惧或感觉快乐的情绪因素，在Paton的实验中，给大 鼠可怕的刺激，它的多巴胺释放急剧下降。在人类中，黑质的破坏导致帕金森病，损害对时间的感知。

选择对多巴胺神经元更仔细地观察，是因为它们能投射到纹状体上，Paton的研究小组之前对纹状体进行过彻底地研究，并发现纹状体传递的信息支持时序行为。移除多巴胺输入到纹状体的神 经元，会导致选择性的时间损失。

3.Science：多巴胺信号编码成功与失败
doi:10.1126/science.aah6837; doi:10.1126/science.aal3205; doi:10.1126/science.aah6799

在运动学习的理论中，一种理论认为我们在一开始先尝试各种不同的动作：比如打网球时，尽管新手想要把球发到外角，落点都会在不同的地方。在不断练习的过程中，每当一个动作 达到了 目的（球成功落到外角），那个动作就会得到强化；而那些 糟糕的动作（比如打飞出场）就会被放弃。

了证明小鸟唱歌的确有用到强化学习，以及更一般地，多巴胺信号不仅编码传统的奖励预测误差也编码运动学习中的表现误差，我们记录了斑胸草雀唱歌时多巴胺的放电活动。与此同时，为 了控制鸟感知到的歌声表现（唱歌好听不好听/是否是想要唱的），我们在它唱到特定音节时用音箱播放一个广谱噪音 (broadband noise)，或是它歌声中的另一个音节 (displaced syllable)。这类听觉反馈 (Distorted Auditory Feedback, DAF) 可以使小鸟学习唱频率不同的音节。 因为这是第一次有人用不同音节作为反馈音，我们也重复了CAF，证明用不同音节作为 反馈音亦可引起学习。

当歌声质量被人为降低时（通过噪音/音节的回放），我们发现 多巴胺细胞的放电活动短暂降低——事实上大部分时候是直接停止了约100毫秒。

更有趣的是，有约50%的情况下我们没有播放DAF，而是让小鸟正常唱歌。当歌声照常进行时，多巴胺细胞的放电活动在目标音节后短暂加强 。

这是一个令人意外地发现（表示惊喜的信号）：这意味着在我们的实验进程中，小鸟已经更新了对自己歌唱水平的 预期 ，认为目标音节常常唱不好——所以才会在唱好（即没有DAF）的时候 释放多巴胺，作为一个表现超出预期 的信号用来训练唱歌回路。

在实验的前半部分我们采用的是50/50随机播放DAF。在此条件下多巴胺细胞习得了噪声在歌声中的时间（即目标音节），并能在此时间发出成功信号。那么成功和失败信号的大小是否和反馈 概率（即失败的概率）有关呢？为此我们进行了新一组实验。 在同一首歌中选取两个不同的音节作为反馈目标，并对目标1和目标2进行独立随机的反馈 ，反馈概率分别为50%和20%。

我们发现， 目标2 (低概率反馈) 的正常表现所引起的多巴胺活动显著低于目标1 (高概率反馈)。这说明由成功表现而引起的多巴胺活动依赖于历史出错率： 最近的失败次数越多，意味着成 功越难得，引起的多巴胺释放就越多 。

4.Science：移动货币与长期贫困和性别影响之间的关系
doi:10.1126/science.aah5309

在发展中国家，银行支行和固话通信是稀少的，但是手机是比较多的。这些因素已导致移动货币的使用，凭借这种使用，钱能够被用来购买时间，而时间随后也能够转化回钱。Suri和Jack证 实增加对移动货币的使用会增加看肯尼亚的长期消费和降低极端贫困家庭的数量。

5.Science：RNA复制因子短暂区室化阻止寄生物造成的灭绝
doi:10.1126/science.aag1582

RNA复制因子（replicator）的进化是生命起源的一个关键步骤。这样的复制因子会遭受更加快速复制的“分子寄生物（molecular parasite）”之苦。在原始细胞（protocell）内，将复制 因子区室化有助缓解这些寄生物带来的影响。Shigeyoshi Matsumura等人证实在非生物材料中短暂的区室化足以抑制寄生物接管的问题。他们分析了基于液滴的微流体系统中的病毒复制，揭 示出只要存在对功能性复制因子的选择，就不会让更加快速复制的寄生物基因组占据主要地位。

6.Science：λ噬菌体的同域和异域物种进化
doi:10.1126/science.aai8446

新物种通过生殖障碍进化而得以产生。在新兴的物种彼此之前存在空间隔离的地方，这个过程已得到很好地理解。但是同域物种形成（sympatric speciation）---不同的物种在相同的地方共同存在---的过程是个谜。噬菌体是解决这个问题的好模型，这是因为它们较快的世代时间。Meyer等选择λ噬菌体，在两种大肠杆菌菌株混合物中培养它。在一些实验中，这些噬菌体存在一些差异：它们变成仅在一种大肠杆菌菌株中复制，即便另一种大肠杆菌菌株也存在。

7.Science：基因组分析揭示鳉鱼快速适应毒物污染
doi:10.1126/science.aah4993; doi:10.1126/science.aal3211

很多有机体已对天然的和人类产生的毒物产生耐受性。Reid等人对地理上相分离和独立的最近已适应严重污染的鳉鱼进行基因组分析。对多种污染敏感的和抵抗污染的鳉鱼群体进行测序，结果表明通过选择性清除，留下可能使得它们对毒物产生耐受性的变异体。因此，鳉鱼中较高的基因多样性似乎允许对现存的变异加以选择，从而促使快速地对污染等选择性压力产生适应。（生物谷 Bioon.com）