初窺大腦神經網路的連接規則！？─一場學術界的爭論
我們的大腦中有數百億個神經元，每個神經元都是一個微型的處理器，從樹突(一般來說)接收類比訊號，運算，再將處理及轉換過的數位訊號從軸突輸出，藉著神經傳導物質的釋放或是間隙連接(gap junction)，將訊息傳到下一個神經。不同的神經以多樣的連接方式組合，構成了各種的神經迴路(neural circuit)，形成不同的生理功能。
然而要如何解析這些神經迴路一直是神經科學上的難題。貝勒醫學院的江博士等團隊，2015在Science上發表了他們的成果，他們以軸突的空間分布(axonal spatial distribution)、細胞形狀(morphology)、電生理活化的特徵(firing pattern)等方式，鑑別出了15種不同的抑制性神經元(inhibitory neuron)，繪製了連結的圖譜，並找到了連結的規則(connectivity rules)。此外透過分析神經元間的1680種連結方式，這些神經元在水平方向連接和垂直方向有顯著的差異，顯示神經元在垂直方向的連接能到達較遠的位置。
研究團隊分析的對象是成年小鼠的初級視覺皮質，皮質具有六層結構，他們將焦點放在第一層、第二/三層、第五層。以全細胞紀錄的方法(whole-cell recording)同時偵測八個神經細胞的活性，最終發現了3種連結的規則。
首先屬於第一種連結的群體是”調控大師””Master regulator”，共有兩種─NGCs和MCs，前者以擴散式分泌的方式(volume transmittion)抑制自己所在的皮質層和上下兩層，並且不受到附近區域的神經元調控。後者則用突觸去抑制除了自己以外的所有神經元，並且受到附近的興奮性和抑制性細胞的調控。
第二種連結的群體稱為”中間神經元特異抑制的中間神經””Interneuron-selective interneurons, ISIs”，共有三種，這種神經元的特點是去抑制附近或是目標的位置的神經元，且不會抑制和自己相似的以及興奮性的神經元。這種細胞可能得功用就是去除區域的抑制效果(disinhibition)。
第三種則是”錨定錐狀細胞的中間神經元””Pyramidal-neuron-targeting interneurons, PTIs”，共通的特點就是會去抑制興奮性的錐狀細胞以及和自己形狀相似的中間神經元，許多PTIs會接受附近的錐狀細胞的活化並回過頭去抑制附近的錐狀細胞。
這篇研究引起了學界高度的關注，並也因此在Science期刊上有來回的辯論！Barth等人評論，認為此篇有以下問題：
A. 以過薄的切片進行量測，造成興奮性的細胞連結被切斷而偵測到較少的興奮性細胞，低估興奮性細胞的連結狀況，成年的小鼠仍然有測到較高的連結數
B. 切片後每個神經少的連結可能不同，因此低估外也會扭曲原本的連結狀況
C. 使用電流箝制的方法量測，將會造成阻抗，使得連結弱的會被低估等
D. 分類需要更多的驗證，另外有些”新的”神經過去已被發現
E. 本篇忽略了第四、第六層皮質，也少考慮了縫隙連結gap junction
F. 本篇沒有找到之前文獻所說的兩種神經元
作者們的回應：
A. 過去的切片較厚，但記錄的位置是相同的，同樣的量測方法以青少年的老鼠偵測和其他論文有相似的結果，因此可信，但的確需要更近一步地以其他方法再次確認是否成年的老鼠的興奮性細胞更易因為切片而死亡，導致低估
B. 模擬切片對細胞的形狀造成的影響，確認只會影響強度，但連結規則不受影響
C. 會有問題但至少可看到電生理活性的特徵(firing pattern)
D. 有用logistic regression驗證，最新也有用transcriptome驗證，另外的確有些疏忽是過去發現的神經元，有些則是難以確認和過去的發現相同，有不同的特徵存在
E. 本篇的研究的確將焦點放在其他層的皮質，相關的問題在文中有討論
F. 這幾種神經元過去雖在海馬迴找到，但在V1的證據少，且分布不在這幾層，但的確有可能因為數量太少或是其他原因而被忽視
從文中的討論可看出該篇在學界引起的討論，不論如何，以單顆神經元的解析度進行神經迴路的分析，可以幫助我們更了解大腦的運作機制，是未來研究的重點之一。
References:
1. Jiang et al.; Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex.; Science (2015)
2. Barth et al.; Comment on “Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex”; Science (2016)
3. Jiang et al.; Response to Comment on “Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex”; Science (2016)
撰稿者：
強敬哲 C.C. Charng
然而要如何解析這些神經迴路一直是神經科學上的難題。貝勒醫學院的江博士等團隊，2015在Science上發表了他們的成果，他們以軸突的空間分布(axonal spatial distribution)、細胞形狀(morphology)、電生理活化的特徵(firing pattern)等方式，鑑別出了15種不同的抑制性神經元(inhibitory neuron)，繪製了連結的圖譜，並找到了連結的規則(connectivity rules)。此外透過分析神經元間的1680種連結方式，這些神經元在水平方向連接和垂直方向有顯著的差異，顯示神經元在垂直方向的連接能到達較遠的位置。
研究團隊分析的對象是成年小鼠的初級視覺皮質，皮質具有六層結構，他們將焦點放在第一層、第二/三層、第五層。以全細胞紀錄的方法(whole-cell recording)同時偵測八個神經細胞的活性，最終發現了3種連結的規則。
首先屬於第一種連結的群體是”調控大師””Master regulator”，共有兩種─NGCs和MCs，前者以擴散式分泌的方式(volume transmittion)抑制自己所在的皮質層和上下兩層，並且不受到附近區域的神經元調控。後者則用突觸去抑制除了自己以外的所有神經元，並且受到附近的興奮性和抑制性細胞的調控。
第二種連結的群體稱為”中間神經元特異抑制的中間神經””Interneuron-selective interneurons, ISIs”，共有三種，這種神經元的特點是去抑制附近或是目標的位置的神經元，且不會抑制和自己相似的以及興奮性的神經元。這種細胞可能得功用就是去除區域的抑制效果(disinhibition)。
第三種則是”錨定錐狀細胞的中間神經元””Pyramidal-neuron-targeting interneurons, PTIs”，共通的特點就是會去抑制興奮性的錐狀細胞以及和自己形狀相似的中間神經元，許多PTIs會接受附近的錐狀細胞的活化並回過頭去抑制附近的錐狀細胞。
這篇研究引起了學界高度的關注，並也因此在Science期刊上有來回的辯論！Barth等人評論，認為此篇有以下問題：
A. 以過薄的切片進行量測，造成興奮性的細胞連結被切斷而偵測到較少的興奮性細胞，低估興奮性細胞的連結狀況，成年的小鼠仍然有測到較高的連結數
B. 切片後每個神經少的連結可能不同，因此低估外也會扭曲原本的連結狀況
C. 使用電流箝制的方法量測，將會造成阻抗，使得連結弱的會被低估等
D. 分類需要更多的驗證，另外有些”新的”神經過去已被發現
E. 本篇忽略了第四、第六層皮質，也少考慮了縫隙連結gap junction
F. 本篇沒有找到之前文獻所說的兩種神經元
作者們的回應：
A. 過去的切片較厚，但記錄的位置是相同的，同樣的量測方法以青少年的老鼠偵測和其他論文有相似的結果，因此可信，但的確需要更近一步地以其他方法再次確認是否成年的老鼠的興奮性細胞更易因為切片而死亡，導致低估
B. 模擬切片對細胞的形狀造成的影響，確認只會影響強度，但連結規則不受影響
C. 會有問題但至少可看到電生理活性的特徵(firing pattern)
D. 有用logistic regression驗證，最新也有用transcriptome驗證，另外的確有些疏忽是過去發現的神經元，有些則是難以確認和過去的發現相同，有不同的特徵存在
E. 本篇的研究的確將焦點放在其他層的皮質，相關的問題在文中有討論
F. 這幾種神經元過去雖在海馬迴找到，但在V1的證據少，且分布不在這幾層，但的確有可能因為數量太少或是其他原因而被忽視
從文中的討論可看出該篇在學界引起的討論，不論如何，以單顆神經元的解析度進行神經迴路的分析，可以幫助我們更了解大腦的運作機制，是未來研究的重點之一。
References:
1. Jiang et al.; Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex.; Science (2015)
2. Barth et al.; Comment on “Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex”; Science (2016)
3. Jiang et al.; Response to Comment on “Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex”; Science (2016)
撰稿者：
強敬哲 C.C. Charng
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