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找到大脑内部世界开关:光遗传学探测大脑感知根源

ad2b-iafwsqp8814597.jpg研究人员使用空间光调制器将激光束转换为全息图,刺激小鼠大脑中的特定神经元。斯坦福大学

中国科学院学报你需要多少神经元来刺激记忆,感觉或锻炼?神经科学家一直试图回答这个问题。

最近,两个研究小组使用光遗传学,一种利用光刺激神经元的技术,精确唤醒小鼠视觉皮层中的特定细胞。他们发现只有少数几个神经元的震动触发了与向动物展示视觉图像时相同的大脑活动,并允许它们对看到这些模式的反应相似。伦敦帝国理工学院的神经科学家Thomas Knopfel谈到了这项新实验:“事实上,这些神经元控制着大脑的内心世界。”

“我们不知道有多少细胞可以触发复杂的想法,感受或情绪,”美国斯坦福大学的神经病学家和精神病学家Karl Deisseroth说。 “但鉴于我们在老鼠身上的发现,这可能是一个惊喜。数量很少。“他领导的一项新研究发表在最近的《科学》杂志上。

Deisseroth说,这一观察可能有助于解释为什么混沌状态(幻想,不必要的想法和有害行为)很容易出现在大脑中。也许有一天,单神经元光遗传学将确定消除这些疾病和治疗脑疾病的有针对性的方法。

几十年来,神经科学家一直在观察当小鼠大脑的某些部分受到震荡或光遗传刺激时会发生什么(包括将一种称为视蛋白的光感受器基因引入神经元)。行为。在大多数实验中,研究人员使用弥散的蓝绿色脉冲来唤醒特定细胞类型的含视蛋白的神经元,但Deisseroth团队一直使用红色敏感的视蛋白和近红外激光束。

“想象一下,大脑中的每个神经元都像是钢琴上的钥匙,你可以准确选择打开哪个神经元,”哥伦比亚大学的神经科学家Rafael Yuste说。

在这两项新研究中,Deisseroth和Yuste的团队使用一种称为空间光调制器的设备将激光束转换为全息图以锁定预定的细胞群。除了视蛋白基因外,他们还注射了一种在神经元被激活后发出荧光的分子,因此研究人员可以识别哪些细胞是活跃的。

研究人员展示了平行线漂移到屏幕上鼠标的图像,并训练它们在平行线处于特定方向时啜饮喷嘴。研究人员发现,在这些细胞被“调整”后,它们首先根据水平方向被触发。

当难以识别时,刺激两个紧密连接的神经元将使老鼠更容易接收东西。当屏幕上没有任何东西时,这种刺激甚至可以诱导小鼠痰液的作用。

Yuste说,这些发现支持了一个长期存在的理论,即共同激活的神经元群体(而不是单个细胞)构成了感知和记忆的基本组成部分。柏林洪堡大学的神经科学家迈克尔布莱希特认为,这仍然存在争议。他说,个体神经元也可能“只是做自己的事情,并以渐进的方式促进大脑功能。”细胞不需要形成特定的组以一起起作用。但布莱希特指出,未来对精确触发神经元的研究可能有助于理解其作用。

形状图的能力。最终,仅这种类型的刺激可以激励小鼠做出准确的“深蹲”或“不”决定。形状图,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。

法国国家研究中心视觉研究所的物理学家瓦伦蒂娜埃米利亚尼说,光学基因刺激可以完全重建真实视觉。然而,她认为令人兴奋的是,击中一些神经元可以唤起大脑与视觉相关的活动。

据了解,Deisseroth和Yuste Laboratories计划使用单神经元光遗传学技术发现隐藏在更复杂行为中的神经元。 Yuste通过刺激神经元群体试验了小鼠以逆转精神分裂症和阿尔茨海默病的症状。 (新宇)

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