發(fā)布日期：2019-07-26
激發(fā)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回答這個問題。
近日，有兩個研究小組采用光遺傳學（一種利用光刺激神經元的技術）精確地喚醒了小鼠視覺皮層中的特定細胞。他們發(fā)現(xiàn)，僅僅對幾個神經元進行電擊，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。倫敦帝國理工學院神經學家Thomas Knopfel 談到該新實驗時說：“實際上，這些神經元控制了大腦的內部世界。”
“我們不知道有多少細胞可以觸發(fā)復雜的思想、感覺或情感，”美國斯坦福大學神經學家和精神病學家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。”他領導的一個新研究發(fā)表在近日的《科學》雜志上。
Deisseroth說，這一觀察結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，單神經元光遺傳學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。
神經科學家花了幾十年時間觀察當小鼠大腦中的某些部分被電擊或被光遺傳學刺激時（包括將一種叫做視蛋白的感光蛋白基因導入神經元），它們會表現(xiàn)出怎樣的行為。在大多數(shù)實驗中，研究人員用擴散的藍綠光脈沖喚醒特定細胞類型的含視蛋白的神經元，但Deisseroth團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元都像鋼琴上的一個鍵，你可以準確選擇打開哪個神經元。”美國哥倫比亞大學神經學家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制器的設備，將激光束轉換成全息圖，從而鎖定預定的細胞群。除了視蛋白基因，他們還注射了一種分子，這種分子在神經元激活時會發(fā)出熒光，因此研究人員能夠辨別哪些細胞是活躍的。
研究人員在屏幕上向小鼠展示了平行線漂移的圖像，并訓練它們當平行線位于特定方向時舔舐水嘴。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些細胞“調整”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《細胞》雜志上發(fā)表了實驗成果。他們發(fā)現(xiàn)，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小鼠更容易舔東西，當屏幕上什么都沒有時，這種刺激甚至會誘發(fā)小鼠舔舐水嘴的動作。
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）構成了感知和記憶的基本構件。柏林洪堡大學神經學家Michael Brecht認為，這仍然有爭議。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作出貢獻”，細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。他們使用從單細胞海洋生物中新發(fā)現(xiàn)的一種基因，這種基因可以產生高度敏感的視蛋白。結果發(fā)現(xiàn)，將大約10~20個細胞按某種視覺圖像進行調整，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小鼠做出準確的“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，她認為令人興奮的是，敲擊幾個神經元就能喚起整個大腦與視覺有關的活動。
據(jù)了解，Deisseroth和Yuste實驗室計劃使用單神經元光遺傳學技術，來發(fā)現(xiàn)隱藏于更復雜行為下的神經元。Yuste已經在小鼠身上進行了實驗，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氏癥的癥狀。（辛雨）
來源：中國科學報
