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光遗传学探测大脑感知根源

2019-07-25 11:14:51  来源:中国科学报

研究人员使用空间光调制器将激光束转换成全息图,刺激小鼠大脑中的特定神经元。图片来源:斯坦福大学

研究人员使用空间光调制器将激光束转换成全息图,刺激小鼠大脑中的特定神经元。图片来源:斯坦福大学

来源:中国科学报

激发记忆、感觉或运动需要多少神经元?神经科学家们一直在努力回答这个问题。

近日,有两个研究小组采用光遗传学(一种利用光刺激神经元的技术)精确地唤醒了小鼠视觉皮层中的特定细胞。他们发现,仅仅对几个神经元进行电击,就能触发与向动物展示视觉图像时相同的大脑活动,并能让它们做出类似看到这种图案的反应。伦敦帝国理工学院神经学家Thomas Knopfel 谈到该新实验时说:“实际上,这些神经元控制了大脑的内部世界。”

“我们不知道有多少细胞可以触发复杂的思想、感觉或情感,”美国斯坦福大学神经学家和精神病学家Karl Deisseroth说,“但鉴于我们在小鼠身上的发现,这可能是一个令人惊讶的小数字。”他领导的一个新研究发表在近日的《科学》杂志上。

Deisseroth说,这一观察结果可能有助于解释为什么混乱的状态(幻觉、多余的想法和有害行为)在大脑中如此容易出现。也许有一天,单神经元光遗传学研究会指明针对性的方法,来消除这些状态并治疗脑部疾病。

神经科学家花了几十年时间观察当小鼠大脑中的某些部分被电击或被光遗传学刺激时(包括将一种叫做视蛋白的感光蛋白基因导入神经元),它们会表现出怎样的行为。在大多数实验中,研究人员用扩散的蓝绿光脉冲唤醒特定细胞类型的含视蛋白的神经元,但Deisseroth团队一直在用一种对红光敏感的视蛋白和近红外激光光束。

“想象大脑中的每个神经元都像钢琴上的一个键,你可以准确选择打开哪个神经元。”美国哥伦比亚大学神经学家Rafael Yuste说。

在这两项新研究中,Deisseroth和Yuste的研究小组通过一种叫做空间光调制器的设备,将激光束转换成全息图,从而锁定预定的细胞群。除了视蛋白基因,他们还注射了一种分子,这种分子在神经元激活时会发出荧光,因此研究人员能够辨别哪些细胞是活跃的。

研究人员在屏幕上向小鼠展示了平行线漂移的图像,并训练它们当平行线位于特定方向时舔舐水嘴。研究人员发现,这些细胞“调整”后,会根据水平线方向优先触发。

Yuste研究小组上个月在《细胞》杂志上发表了实验成果。他们发现,当屏幕上的竖条难以辨认时,刺激两个连接特别紧密的神经元会让小鼠更容易舔东西,当屏幕上什么都没有时,这种刺激甚至会诱发小鼠舔舐水嘴的动作。

Yuste说,研究结果支持了一个长期存在的理论,即共同激活的神经元群(而不是单个细胞)构成了感知和记忆的基本构件。柏林洪堡大学神经学家Michael Brecht认为,这仍然有争议。他说,个体神经元也有可能“只是做它们自己的事情,并以增量的方式对大脑功能作出贡献”,细胞不需要形成特定的群体来共同表现功能。但Brecht指出,未来对精确触发神经元的研究可能会帮助了解其群体作用。

与此同时,Deisseroth研究小组激活了更多的神经元,并评估了小鼠是否有区分平行线方向的感知。他们使用从单细胞海洋生物中新发现的一种基因,这种基因可以产生高度敏感的视蛋白。结果发现,将大约10~20个细胞按某种视觉图像进行调整,可以提高老鼠分辨屏幕上越来越模糊的条形图的能力。最终,单单这种刺激就能促使小鼠做出准确的“舔”或“不舔”的决定。

“我们无法知道小鼠是否真的‘看到’了消失的条形图,但行为测试和成像都表明,大脑正在做它在自然感知过程中所做的事情。”Deisseroth 说。

法国国家科研中心下属视觉研究所物理学家Valentina Emiliani表示,光基因刺激能够完全重建真实的视觉。不过,她认为令人兴奋的是,敲击几个神经元就能唤起整个大脑与视觉有关的活动。

辛雨

据了解,Deisseroth和Yuste实验室计划使用单神经元光遗传学技术,来发现隐藏于更复杂行为下的神经元。Yuste已经在小鼠身上进行了实验,目的是通过刺激神经元群,来逆转精神分裂症和阿尔茨海默氏症的症状。()

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