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Science和Cell双重磅:激光全息图刺激小鼠的脑细胞探测感知和幻觉的根源

来源:本站原创 2019-08-24 08:21

2019年8月24日讯 /生物谷BIOON /——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用相对粗糙的方法来回答这个问题,这种方法使他们无法激活单独选择的脑细胞。然而,最近有两个研究小组采用了光遗传学--一种利用光刺激神经元的技术--来精确地唤醒老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模式相同的大脑活动,并能让它们做出类似于看到这种模式的反应。伦敦帝国理工学院的神经学家Thomas Knopfel在谈到这些新实验时说:"本质上,它们控制了大脑的内部世界。"

"我们不知道引发人更复杂的思想、感觉或情感,需要多少细胞。"斯坦福大学的神经学家和精神病学家Karl Deisseroth说道,他领导的一个新的研究于近日发表在《Science》杂志上,"但这很可能是一个少到令人惊讶的数字,尽管我们是在老鼠身上进行的实验。"

图片来源:https://cn.bing.com

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、不想要的想法和有害的行为--在大脑中如此容易出现。单神经元光遗传学也许有一天会为研究人员指明有针对性的方法来消除这些状态和治疗脑部疾病的症状。

神经科学家们花了几十年的时间来观察当老鼠大脑的某些部分被电极或最近的光遗传学刺激时,它们的行为如何。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神经元。但是Deisseroth的团队和其他人一直在用一种对红光敏感的视蛋白和聚集、穿透力强的近红外光更精确地利用光遗传学。

"想象大脑中的每个神经元都像钢琴上的一个键,"哥伦比亚大学(Columbia University)的神经科学家Rafael Yuste说。"你可以选择打开哪个神经元。"

在这两项新的研究中,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雕刻成全息图,从而锁定预定的细胞群。除了一种视蛋白基因,他们还注射了一种基因,这种基因的表达产物在神经元激活时发出荧光,让他们能够辨别出哪些细胞是活跃的。他们在屏幕上向老鼠展示了一种平行线漂移的模式,并训练它们当这些平行线位于两个方向(水平或垂直)之一,而不是另一个方向时,舔水嘴。他们发现,这些细胞"调谐"后,会根据水平或垂直模式优先触发。

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Yuste的研究小组近日在《Cell》杂志上发表了他们的实验,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老鼠更容易舔东西。在一些实验中,当屏幕上什么都没有时,这种刺激甚至会促使动物去舔。

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)构成了我们感知和记忆的基本构件。柏林洪堡大学(Humboldt University)的神经学家Michael Brecht说,这仍然是一个有争议的点。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做出贡献"--细胞不需要形成这些特定的群体来共同代表体验。但Brecht指出,未来对精确触发的神经元的研究可能会解决整体的作用。

与此同时,Deisseroth激活了比Cell研究中更多的垂直或水平调谐神经元,并评估了小鼠是否能够区分这两种可能的感知。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。他们发现,将大约10到20个细胞按一种或另一种视觉模式进行调整,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老鼠做出正确的"舔"或"不舔"决定。

我们不可能知道老鼠是否真的"看到"了没有的条状物,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。

位于巴黎的法国国家研究机构CNRS下属视觉研究所的物理学家Valentina Emiliani表示,现在就说光遗传刺激能够完全重建真实的视觉似乎还为之过早,因为这比简单的移动棒要复杂得多。不过,她表示,令人兴奋的是,敲击几个神经元就能唤起与视觉有关的整个大脑活动模式。

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Deisseroth和Yuste实验室现在计划使用单神经元光遗传学来发现隐藏在更复杂行为下的神经元--包括大脑疾病的症状。Yuste已经在老鼠身上进行了实验,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病的症状。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】Kelly Servick. Laser holograms stimulate brain cells in mice to probe roots of perception and hallucination. Science. DOI: 10.1126/science.aay7824

【2】James H. Marshel et al. Cortical layer-specific critical dynamics triggering perception. Science  09 Aug 2019: Vol. 365, Issue 6453, eaaw5202 DOI: 10.1126/science.aaw5202

【3】Luis Carrillo-Reid et al. Controlling Visually Guided Behavior by Holographic Recalling of Cortical Ensembles. Cell. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.045
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