研究人員使用空間光調(diào)制器將激光束轉(zhuǎn)換成全息圖，刺激小鼠大腦中的特定神經(jīng)元。圖片來源：斯坦福大學(xué)

來源：中國科學(xué)報

激發(fā)記憶、感覺或運(yùn)動需要多少神經(jīng)元?神經(jīng)科學(xué)家們一直在努力回答這個問題。

近日，有兩個研究小組采用光遺傳學(xué)(一種利用光刺激神經(jīng)元的技術(shù))精確地喚醒了小鼠視覺皮層中的特定細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)，僅僅對幾個神經(jīng)元進(jìn)行電擊，就能觸發(fā)與向動物展示視覺圖像時相同的大腦活動，并能讓它們做出類似看到這種圖案的反應(yīng)。倫敦帝國理工學(xué)院神經(jīng)學(xué)家Thomas Knopfel 談到該新實驗時說：“實際上，這些神經(jīng)元控制了大腦的內(nèi)部世界。”

“我們不知道有多少細(xì)胞可以觸發(fā)復(fù)雜的思想、感覺或情感，”美國斯坦福大學(xué)神經(jīng)學(xué)家和精神病學(xué)家Karl Deisseroth說，“但鑒于我們在小鼠身上的發(fā)現(xiàn)，這可能是一個令人驚訝的小數(shù)字。”他領(lǐng)導(dǎo)的一個新研究發(fā)表在近日的《科學(xué)》雜志上。

Deisseroth說，這一觀察結(jié)果可能有助于解釋為什么混亂的狀態(tài)(幻覺、多余的想法和有害行為)在大腦中如此容易出現(xiàn)。也許有一天，單神經(jīng)元光遺傳學(xué)研究會指明針對性的方法，來消除這些狀態(tài)并治療腦部疾病。

神經(jīng)科學(xué)家花了幾十年時間觀察當(dāng)小鼠大腦中的某些部分被電擊或被光遺傳學(xué)刺激時(包括將一種叫做視蛋白的感光蛋白基因?qū)肷窠?jīng)元)，它們會表現(xiàn)出怎樣的行為。在大多數(shù)實驗中，研究人員用擴(kuò)散的藍(lán)綠光脈沖喚醒特定細(xì)胞類型的含視蛋白的神經(jīng)元，但Deisseroth團(tuán)隊一直在用一種對紅光敏感的視蛋白和近紅外激光光束。

“想象大腦中的每個神經(jīng)元都像鋼琴上的一個鍵，你可以準(zhǔn)確選擇打開哪個神經(jīng)元。”美國哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Rafael Yuste說。

在這兩項新研究中，Deisseroth和Yuste的研究小組通過一種叫做空間光調(diào)制器的設(shè)備，將激光束轉(zhuǎn)換成全息圖，從而鎖定預(yù)定的細(xì)胞群。除了視蛋白基因，他們還注射了一種分子，這種分子在神經(jīng)元激活時會發(fā)出熒光，因此研究人員能夠辨別哪些細(xì)胞是活躍的。

研究人員在屏幕上向小鼠展示了平行線漂移的圖像，并訓(xùn)練它們當(dāng)平行線位于特定方向時舔舐水嘴。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞“調(diào)整”后，會根據(jù)水平線方向優(yōu)先觸發(fā)。

Yuste研究小組上個月在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了實驗成果。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屏幕上的豎條難以辨認(rèn)時，刺激兩個連接特別緊密的神經(jīng)元會讓小鼠更容易舔東西，當(dāng)屏幕上什么都沒有時，這種刺激甚至?xí)T發(fā)小鼠舔舐水嘴的動作。

Yuste說，研究結(jié)果支持了一個長期存在的理論，即共同激活的神經(jīng)元群(而不是單個細(xì)胞)構(gòu)成了感知和記憶的基本構(gòu)件。柏林洪堡大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Michael Brecht認(rèn)為，這仍然有爭議。他說，個體神經(jīng)元也有可能“只是做它們自己的事情，并以增量的方式對大腦功能作出貢獻(xiàn)”，細(xì)胞不需要形成特定的群體來共同表現(xiàn)功能。但Brecht指出，未來對精確觸發(fā)神經(jīng)元的研究可能會幫助了解其群體作用。

與此同時，Deisseroth研究小組激活了更多的神經(jīng)元，并評估了小鼠是否有區(qū)分平行線方向的感知。他們使用從單細(xì)胞海洋生物中新發(fā)現(xiàn)的一種基因，這種基因可以產(chǎn)生高度敏感的視蛋白。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將大約10~20個細(xì)胞按某種視覺圖像進(jìn)行調(diào)整，可以提高老鼠分辨屏幕上越來越模糊的條形圖的能力。最終，單單這種刺激就能促使小鼠做出準(zhǔn)確的“舔”或“不舔”的決定。

“我們無法知道小鼠是否真的‘看到’了消失的條形圖，但行為測試和成像都表明，大腦正在做它在自然感知過程中所做的事情。”Deisseroth 說。

法國國家科研中心下屬視覺研究所物理學(xué)家Valentina Emiliani表示，光基因刺激能夠完全重建真實的視覺。不過，她認(rèn)為令人興奮的是，敲擊幾個神經(jīng)元就能喚起整個大腦與視覺有關(guān)的活動。

辛雨

據(jù)了解，Deisseroth和Yuste實驗室計劃使用單神經(jīng)元光遺傳學(xué)技術(shù)，來發(fā)現(xiàn)隱藏于更復(fù)雜行為下的神經(jīng)元。Yuste已經(jīng)在小鼠身上進(jìn)行了實驗，目的是通過刺激神經(jīng)元群，來逆轉(zhuǎn)精神分裂癥和阿爾茨海默氏癥的癥狀。()