激光全息圖刺激小鼠的腦細胞探測感知和幻覺的根源

　　激發記憶、感覺或運動需要多少神經元？神經科學家們一直在努力用相對粗糙的方法來回答這個問題，這種方法使他們無法激活單獨選擇的腦細胞。然而，最近有兩個研究小組采用了光遺傳學--一種利用光刺激神經元的技術--來精確地喚醒老鼠視覺皮層中的特定細胞。他們發現，僅僅對幾個神經元進行電擊，就能觸發與向動物展示視覺模式相同的大腦活動，并能讓它們做出類似于看到這種模式的反應。倫敦帝國理工學院的神經學家Thomas Knopfel在談到這些新實驗時說："本質上，它們控制了大腦的內部世界。"

　　"我們不知道引發人更復雜的思想、感覺或情感，需要多少細胞。"斯坦福大學的神經學家和精神病學家Karl Deisseroth說道，他領導的一個新的研究于近日發表在《Science》雜志上，"但這很可能是一個少到令人驚訝的數字，盡管我們是在老鼠身上進行的實驗。"

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　　Deisseroth說，這一觀察結果可能有助于解釋為什么混亂的狀態--幻覺、不想要的想法和有害的行為--在大腦中如此容易出現。單神經元光遺傳學也許有一天會為研究人員指明有針對性的方法來消除這些狀態和治療腦部疾病的癥狀。

　　神經科學家們花了幾十年的時間來觀察當老鼠大腦的某些部分被電極或最近的光遺傳學刺激時，它們的行為如何。在大多數實驗中，研究人員用擴散的藍綠光脈沖喚醒特定細胞類型的含視蛋白神經元。但是Deisseroth的團隊和其他人一直在用一種對紅光敏感的視蛋白和聚集、穿透力強的近紅外光更精確地利用光遺傳學。

　　"想象大腦中的每個神經元都像鋼琴上的一個鍵，"哥倫比亞大學(Columbia University)的神經科學家Rafael Yuste說。"你可以選擇打開哪個神經元。"

　　在這兩項新的研究中，Deisseroth和Yuste的研究小組通過一種叫做空間光調制器的設備將激光束雕刻成全息圖，從而鎖定預定的細胞群。除了一種視蛋白基因，他們還注射了一種基因，這種基因的表達產物在神經元激活時發出熒光，讓他們能夠辨別出哪些細胞是活躍的。他們在屏幕上向老鼠展示了一種平行線漂移的模式，并訓練它們當這些平行線位于兩個方向(水平或垂直)之一，而不是另一個方向時，舔水嘴。他們發現，這些細胞"調諧"后，會根據水平或垂直模式優先觸發。

　　Yuste的研究小組近日在《Cell》雜志上發表了他們的實驗，他們發現，當屏幕上的豎條難以辨認時，刺激兩個連接特別緊密的神經元會讓老鼠更容易舔東西。在一些實驗中，當屏幕上什么都沒有時，這種刺激甚至會促使動物去舔。

　　Yuste說，研究結果支持了一個長期存在的理論，即共同激活的神經元群(而不是單個細胞)構成了我們感知和記憶的基本構件。柏林洪堡大學(Humboldt University)的神經學家Michael Brecht說，這仍然是一個有爭議的點。他說，個體神經元也有可能"只是做它們自己的事情，并以增量的方式對大腦功能做出貢獻"--細胞不需要形成這些特定的群體來共同代表體驗。但Brecht指出，未來對精確觸發的神經元的研究可能會解決整體的作用。

　　與此同時，Deisseroth激活了比Cell研究中更多的垂直或水平調諧神經元，并評估了小鼠是否能夠區分這兩種可能的感知。他們使用從單細胞海洋生物中新發現的一種基因，這種基因可以產生高度敏感的視蛋白。他們發現，將大約10到20個細胞按一種或另一種視覺模式進行調整，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老鼠做出正確的"舔"或"不舔"決定。

　　我們不可能知道老鼠是否真的"看到"了沒有的條狀物，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。

　　位于巴黎的法國國家研究機構CNRS下屬視覺研究所的物理學家Valentina Emiliani表示，現在就說光遺傳刺激能夠完全重建真實的視覺似乎還為之過早，因為這比簡單的移動棒要復雜得多。不過，她表示，令人興奮的是，敲擊幾個神經元就能喚起與視覺有關的整個大腦活動模式。

　　Deisseroth和Yuste實驗室現在計劃使用單神經元光遺傳學來發現隱藏在更復雜行為下的神經元--包括大腦疾病的癥狀。Yuste已經在老鼠身上進行了實驗，目的是通過刺激神經元群來逆轉精神分裂癥和阿爾茨海默病的癥狀。