研究人員用單細(xì)胞精確度控制了小鼠大腦的行為

哥倫比亞大學(xué)的一組神經(jīng)科學(xué)家首次通過(guò)激活小鼠視覺(jué)皮層的一些神經(jīng)元來(lái)控制小鼠的視覺(jué)行為。

在他們發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的研究中，研究人員證明了一組特定的神經(jīng)元，即一組神經(jīng)元，在行為中起著因果作用。研究人員使用新的光學(xué)和分析工具來(lái)識(shí)別小鼠皮層組合并執(zhí)行視覺(jué)任務(wù)。他們還利用高分辨率光遺傳學(xué)，以單細(xì)胞精度同時(shí)瞄準(zhǔn)選定的神經(jīng)元，以控制小鼠的行為。雖然任務(wù)相關(guān)神經(jīng)元的準(zhǔn)確激活提高了動(dòng)物的表現(xiàn)，但與任務(wù)無(wú)關(guān)的其他神經(jīng)元的激活降低了行為。

Rafael Yuste說(shuō)：“這是我們實(shí)驗(yàn)室?guī)资陙?lái)最令人興奮的工作，因?yàn)槲覀円呀?jīng)證明了皮層組合是行為的關(guān)鍵，我們可以隨身攜帶鋼琴，隨意改變動(dòng)物的行為。該研究的資深作者，哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)教授?！按送?，數(shù)據(jù)顯示，神經(jīng)元集合是視覺(jué)刺激的內(nèi)部表征，”尤斯特補(bǔ)充道，他也是哥倫比亞數(shù)據(jù)科學(xué)研究所的成員。

這項(xiàng)研究可能在醫(yī)學(xué)上有重要的應(yīng)用。識(shí)別具有單細(xì)胞準(zhǔn)確性的生理相關(guān)神經(jīng)元集合可用于重組目標(biāo)神經(jīng)元之間的活動(dòng)模式，并重新編程錯(cuò)誤的神經(jīng)回路。Yuste實(shí)驗(yàn)室前研究員、本文第一作者Luis Carrillo-Reid表示，通過(guò)重組這些神經(jīng)元模式，有可能治療阿爾茨海默病、帕金森病或精神分裂癥等精神和神經(jīng)疾病中異?；顒?dòng)模式導(dǎo)致的病理狀況。"通過(guò)全息回憶皮層集合控制視覺(jué)引導(dǎo)行為."

卡里略-里德說(shuō)：“我們離將這些方法用作患者的治療方法還很遠(yuǎn)?！暗@項(xiàng)研究可能代表了對(duì)大腦進(jìn)行精確重新編程的路線圖，這將使神經(jīng)科學(xué)更接近臨床。”

在尤斯特實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，研究人員使用了神經(jīng)回路的雙光子鈣成像和雙光子光遺傳學(xué)，這是尤斯特團(tuán)隊(duì)最初為光學(xué)讀寫(xiě)神經(jīng)元活動(dòng)開(kāi)發(fā)的。利用鈣成像，人們可以追蹤神經(jīng)回路中哪些神經(jīng)元發(fā)出信號(hào)，而利用光遺傳學(xué)，人們可以隨意激活神經(jīng)元。此外，使用雙光子激光，該團(tuán)隊(duì)可以在跑步機(jī)上運(yùn)行動(dòng)物的大腦，以單細(xì)胞精度進(jìn)行鈣成像和光遺傳學(xué)。

研究人員將病毒注射到小鼠體內(nèi)，使它們能夠觀察大腦神經(jīng)元的活動(dòng)模式。他們也可以利用光來(lái)精確地控制他們神經(jīng)元的活動(dòng)。接下來(lái)，他們將老鼠連接到雙光子顯微鏡上，在小跑步機(jī)上跑步時(shí)觀察它們。兩周以來(lái)，研究人員訓(xùn)練老鼠將視覺(jué)刺激——視頻屏幕上飄動(dòng)的豎條——與水聯(lián)系起來(lái)，這樣每當(dāng)豎條出現(xiàn)時(shí)，它們就會(huì)舔水嘴。在小鼠學(xué)會(huì)將視覺(jué)刺激與舔舔聯(lián)系起來(lái)后，研究人員確定了小鼠中對(duì)豎條有反應(yīng)的神經(jīng)元組，并用雙光子激光重新激活這些神經(jīng)元。這種重新激活有助于小鼠的正常舔舐時(shí)間超出預(yù)期，甚至誘導(dǎo)沒(méi)有任何視覺(jué)刺激的舔舐，就好像小鼠將豎條視為幻覺(jué)一樣。研究人員甚至通過(guò)僅刺激兩個(gè)神經(jīng)元來(lái)觸發(fā)舔舔行為，只要它們是與行為相關(guān)的特定神經(jīng)元組。

幾十年來(lái)，人們使用電刺激大腦的不同區(qū)域來(lái)改善運(yùn)動(dòng)障礙的癥狀，如帕金森病，最近將神經(jīng)精神疾病視為抑郁癥。這項(xiàng)被稱(chēng)為深度腦刺激的技術(shù)每年被用來(lái)幫助成千上萬(wàn)的病人。然而，這項(xiàng)技術(shù)涉及操縱大量的神經(jīng)元，它們的空間位置和身份是未知的。在這項(xiàng)研究中，研究人員展示了原則的證據(jù)，即識(shí)別和瞄準(zhǔn)非常特殊的神經(jīng)元可以改變行為，開(kāi)辟了一種使用這種技術(shù)幫助糾正腦部疾病的方法，”卡里略-里德說(shuō)，他現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)著墨西哥國(guó)立自治大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。

“此外，感覺(jué)刺激可以被激活一些神經(jīng)元所取代的事實(shí)表明，我們可能開(kāi)始更接近理解感知是什么，或者思想是什么，”yust說(shuō)?！斑@可能是理解我們的思想如何運(yùn)作的重要一步?！?

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