“这太可怕了”：博士生以颠覆“既定科学”开始研究生涯
Daniel Borrus在William & 玛丽开始了他的博士研究，他认为这将是一个简单的实验，只是为了在神经生理学研究中有所涉水。
这个“简单的实验”变成了一个为期两年的合作项目，并成为一篇论文的第一作者，这篇论文挑战了20年来一直被认为是关于呼吸神经控制的既定科学。
Borrus的合著者是William & 玛丽应用科学系的教授Christopher Del Negro和Greg Conradi Smith，以及该系的另一名研究生Cameron Grover。他们的论文《突触抑制在呼吸节律耦合中的作用——呼吸暂停和叹息行为的基础》最近发表在神经科学学会的开放获取期刊《eNeuro》上。
“每个人都知道我们都在呼吸，”Borrus解释说，但他补充说，并不是每个人都意识到我们有两种不同的呼吸。“有规律的”呼吸被科学家称为eupnea。这是面包和黄油的自动呼吸行为。
“我们还有另一种常规的呼吸行为，叫做叹气，”他说。“它每隔几分钟发生一次，大约比正常呼吸慢一个数量级左右。这只是一次大呼气。”
德尔·内格罗指出，这种叹息不应该与更熟悉的、情绪化的、“我很不幸”的叹息相混淆。Borrus接着解释说，呼吸中叹气的目的是使肺部充分充气，一直充气到肺泡，肺泡是肺中氧气和二氧化碳交换发生的小囊。
“所以这是生理上非常重要的行为，”Borrus说。“有趣的是，它实际上与正常呼吸一致。所以你就这样做，做正常的呼吸。而叹气——这种巨大的叹气——通常发生在正常呼吸之后。”
他接着解释说，在呼吸恢复之前，叹气之后会有一个停顿——被称为“叹气后呼吸暂停”。这两种形式的呼吸有各自的节奏，但节奏是相互联系的。
“如果你追溯这两种呼吸行为的神经起源，你会发现它们实际上来自大脑的同一个区域。它被称为pre-Bötzinger复合物，位于脑干区域——髓质。”“因此，不仅节奏起源于那里，而且耦合也起源于那里。”
威廉和玛丽的论文指出了喘息节奏耦合的一个重要方面。它挑战——而且很可能完全颠覆——对呼吸暂停和叹息是如何结合在一起的传统理解。
“我们基本上告诉他们，过去20年来他们所相信的一切都是错的，”德尔内格罗说。
以前的研究人员错误的是突触抑制在呼吸和叹息节奏耦合中的作用。把抑制想象成一种神经制动系统。抑制与兴奋相反，就像汽车一样，大脑既需要刹车也需要加速来完成工作。
Borrus说：“因此，大约20年前，之前的研究小组说，如果你阻断pre-Bötzinger复合物的抑制作用，你就可以解除呼吸和呼吸节律。”“你可以得到自由奔放的叹息节奏。”
在他工作的早期，Borrus开始重复20年前的抑制阻断实验。他没有得到同样的结果，这让他很紧张。
“那确实很可怕。我是说，那是我第一次做电生理实验。论文上的日期是2000年，作者是该领域的大人物。”“我没有理由怀疑这些发现。我确信我做错了什么：老实说，我不相信。但我有克里斯托弗让我坚持下去。”
在德尔·内格罗和康拉德·史密斯的鼓励下，博罗斯继续工作。他说，随着工作的进展，尤其是在他开始使用一种不同的药物来阻断抑制作用之后，他的信心也在增强。
“结果只会变得更加清晰，”他说。“那时我才真正确信我们走在正确的道路上。但有一段时间我还是有点害怕。我确信我前六个月的博士研究肯定会被驳倒，因为我们搞砸了一些事情。”
他们的论文在审查过程中自然遇到了一些阻力，就像对公认的生理过程理解的任何挑战一样。但威廉和玛丽的合作者回答了所有的疑问，并提出了一个令人信服的理由，即突触抑制并没有把驱动呼吸和叹息行为的节奏联系起来。
与科学发现一样，它们的结果是暂时的，需要重复、修改和测试。Borrus等人并没有对叹息节奏的神经起源提供另一种解释。然而。
“这个问题肯定还悬而未决，”Borrus说。“这是我们正在解决的问题。”
这篇论文对理解欧洲-叹息联系做出了许多其他贡献。Borrus指出，他的工作挑战了另一个长期存在的观念：这种耦合是这样的，在呼吸暂停后，叹气总是很快发生。
他指出：“我们发现，在叹气和之前的呼吸暂停事件之间的时间实际上有一点变化。”
Conradi Smith指出，关于时间可变性的发现提出了一个有趣的问题。
史密斯说：“这在某种程度上表明，这两种节奏并没有人们原先认为的那样紧密相连。”“但它仍然是同一个神经网络。同一组细胞产生了两种不同的节律。pre-Bötzinger复合体产生一个规则的节奏，然后这个，这个叹息泛音节奏。那么一个神经网络是如何产生这两种不同类型的振荡的呢？我认为这是一个重要的理论问题。”
与科学发现一样，它们的结果是暂时的，需要重复、修改和测试。Borrus等人并没有对叹息节奏的神经起源提供另一种解释。然而。
“这个问题肯定还悬而未决，”Borrus说。“这是我们正在解决的问题。”
神经控制呼吸的pre-Bötzinger复合体出奇的小。德尔内格罗说，涉及的细胞不到1000个。“对于大脑系统来说，少于1000个细胞是微不足道的，”他补充道。
这篇论文是由计算生物学家Conradi Smith和实验神经科学家Del Negro进行的一项更大的神经呼吸探索的延续。他们的项目“计算神经科学合作研究”由美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会共同资助。
德尔内格罗解释说：“这些资助的全部性质是，一个实验学家与一个数学建模者或计算学家合作，然后他们将他们的技能结合在一起，目的是解决任何一个技术专业分支都无法单独解决的问题。”
这些问题与现实生活息息相关，甚至关乎生死。德尔内格罗将该小组的论文描述为研究进展中“必不可少的第一步”，这将导致史密斯和博罗斯的计算建模，并最终应用于临床。
德尔内格罗说：“了解叹息节奏的生物物理基础很重要。”“例如，医生在编写呼吸机程序时必须将叹气编入程序。”
Borrus是通过计算建模进入这个领域的。他是威廉玛丽学院神经科学专业的2017届毕业生，该专业的必修课是细胞生物物理学和建模。课程设计源于史密斯的职业生涯基金，由国家科学基金会支持教育和研究。
史密斯解释说：“这基本上是对电生理学的介绍。”“但它需要你理解如何用数学建模这些东西的观点，以最好地解释一切是如何运作的。我相信，丹就是在那里第一次学会了如何做这种类型的建模，当时他还是一名本科生。”
Borrus说他在大二的时候选了这门课，只是因为另一门课已经满了。
“对我来说，这是一个伟大的偶然举动，”他说。“这是我第一次看到生物学和数学结合在一起。所以，是的，我被迷住了。我喜欢这门课，把所有的内容都吸收了。
“然后在学期结束时，我走到格雷格面前说，‘你真的能做这个吗？比如，为了你的工作？我能和你一起做研究吗？’”
