來(lái)自哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)激活小鼠視覺(jué)皮層中的一些神經(jīng)元來(lái)控制小鼠的視覺(jué)行為。

這一重要發(fā)現(xiàn)公布在Cell雜志上。

在這篇文章中，研究人員證明了特定的神經(jīng)元集群在行為中具有因果作用。他們利用新開(kāi)發(fā)的光學(xué)分析工具，識(shí)別進(jìn)行視覺(jué)任務(wù)的小鼠皮質(zhì)集群，還通過(guò)高分辨率光遺傳學(xué)以單細(xì)胞度同時(shí)靶向靶標(biāo)神經(jīng)元，控制小鼠的行為。結(jié)果表明與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元的激活提高了動(dòng)物表現(xiàn)，與任務(wù)無(wú)關(guān)的其他神經(jīng)元的激活降低了行為表現(xiàn)。

“這是幾十年來(lái)我們實(shí)驗(yàn)室完成的激動(dòng)人心的工作，因?yàn)檫@證明皮質(zhì)集群是行為的關(guān)鍵，我們可以通過(guò)控制它們，改變動(dòng)物的行為表現(xiàn)，”文章通訊作者，哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)教授Rafael Yuste說(shuō)， “此外，數(shù)據(jù)表明，神經(jīng)元集群是視覺(jué)刺激的內(nèi)部表征”。

這項(xiàng)研究可能在醫(yī)學(xué)上有重要的應(yīng)用。以單細(xì)胞度識(shí)別生li學(xué)相關(guān)的神經(jīng)元集群可用于重新組織靶神經(jīng)元之間的活動(dòng)模式，重新編程錯(cuò)誤的神經(jīng)回路。
 

“要想將這些方法應(yīng)用于患者，那還早，”文章一作，Luis Carrillo-Reid說(shuō)，“但這項(xiàng)研究可能代表了重編程大腦的路線圖。”

這項(xiàng)研究的主要采用了神經(jīng)回路雙光子鈣成像和雙光子光遺傳學(xué)，這是Yuste當(dāng)局?jǐn)嘟^哦初開(kāi)發(fā)的用于光學(xué)讀寫神經(jīng)元活動(dòng)的方法。使用鈣成像，人們可以跟蹤哪些神經(jīng)元在神經(jīng)回路中發(fā)射，而使用光遺傳學(xué)，可以隨意激活神經(jīng)元。此外，研究人員利用雙光子激光也可以運(yùn)行動(dòng)物的大腦，以單細(xì)胞精度執(zhí)行鈣成像和光遺傳學(xué)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員給小鼠注射了病毒，從而能夠觀察到大腦中的神經(jīng)元活動(dòng)模式。他們還能夠用光地操縱神經(jīng)元活動(dòng)。之后研究人員又將小鼠連接到雙光子顯微鏡上，并讓它們?cè)谛∨懿綑C(jī)上跑步，觀察它們。在兩個(gè)星期的時(shí)間里，研究人員訓(xùn)練小鼠將視覺(jué)刺激與水關(guān)聯(lián)起來(lái)，這樣每當(dāng)垂直條出現(xiàn)時(shí)它們會(huì)舔水。在小鼠學(xué)會(huì)將視覺(jué)刺激與舔這一動(dòng)作相關(guān)聯(lián)之后，研究人員確定了小鼠中對(duì)垂直條有反應(yīng)的神經(jīng)元組，并使用雙光子激光重新激活了這些神經(jīng)元。這種再激活讓小鼠正常舔食的次數(shù)超過(guò)預(yù)期，甚至在沒(méi)有任何視覺(jué)刺激的情況下誘發(fā)了這個(gè)動(dòng)作，就好像小鼠出現(xiàn)了看到垂直條形 幻覺(jué)。研究人員甚至通過(guò)僅刺激兩個(gè)神經(jīng)元來(lái)觸發(fā)舔食行為，只要它們是與行為相關(guān)的特定神經(jīng)元組。

幾十年來(lái)，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)電刺激大腦的不同區(qū)域來(lái)改善運(yùn)動(dòng)障礙的癥狀，例如帕金森癥，這種被稱為深部腦刺激的技術(shù)每年幫助了數(shù)萬(wàn)名患者。然而，該技術(shù)涉及操縱大量神經(jīng)元，其空間位置和身份未知。

在這項(xiàng)研究中，研究人員展示了相關(guān)原理的證據(jù)，即識(shí)別和靶向特殊的神經(jīng)元可以改變行為，“開(kāi)辟了使用這種技術(shù)來(lái)幫助糾正腦部疾病問(wèn)題的途徑，“Carrillo-Reid說(shuō)。

“此外，通過(guò)激活一些神經(jīng)元可以取代感官刺激，表明我們可能開(kāi)始更接近理解感知是什么，或者說(shuō)是什么是思想，這可能是了解我們的思想如何運(yùn)作的重要一步。”