來自哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家團隊首次通過激活小鼠視覺皮層中的一些神經(jīng)元來控制小鼠的視覺行為。
這一重要發(fā)現(xiàn)公布在Cell雜志上。
在這篇文章中，研究人員證明了特定的神經(jīng)元集群在行為中具有因果作用。他們利用新開發(fā)的光學(xué)分析工具，識別進行視覺任務(wù)的小鼠皮質(zhì)集群，還通過高分辨率光遺傳學(xué)以單
細胞精確度同時靶向靶標(biāo)神經(jīng)元，控制小鼠的行為。結(jié)果表明與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元的精確激活提高了動物表現(xiàn)，與任務(wù)無關(guān)的其他神經(jīng)元的激活降低了行為表現(xiàn)。
“這是幾十年來我們實驗室完成的*激動人心的工作，因為這證明皮質(zhì)集群是行為的關(guān)鍵，我們可以通過控制它們，改變動物的行為表現(xiàn)，”文章通訊作者，哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)教授Rafael Yuste說， “此外，數(shù)據(jù)表明，神經(jīng)元集群是視覺刺激的內(nèi)部表征”。
這項研究可能在醫(yī)學(xué)上有重要的應(yīng)用。以單細胞精確度識別生理學(xué)相關(guān)的神經(jīng)元集群可用于重新組織靶神經(jīng)元之間的活動模式，重新編程錯誤的神經(jīng)回路。
“要想將這些方法應(yīng)用于患者，那還早，”文章一作，Luis Carrillo-Reid說，“但這項研究可能代表了精確重編程大腦的路線圖。”
這項研究的主要采用了神經(jīng)回路雙光子鈣成像和雙光子光遺傳學(xué)，這是Yuste當(dāng)局?jǐn)嘟^哦*初開發(fā)的用于光學(xué)讀寫神經(jīng)元活動的方法。使用鈣成像，人們可以跟蹤哪些神經(jīng)元在神經(jīng)回路中發(fā)射，而使用光遺傳學(xué)，可以隨意激活神經(jīng)元。此外，研究人員利用雙光子激光也可以運行動物的大腦，以單細胞精度執(zhí)行鈣成像和光遺傳學(xué)。
在這項研究中，研究人員給小鼠注射了病毒，從而能夠觀察到大腦中的神經(jīng)元活動模式。他們還能夠用光精確地操縱神經(jīng)元活動。之后研究人員又將小鼠連接到雙光子顯微鏡上，并讓它們在小跑步機上跑步，觀察它們。在兩個星期的時間里，研究人員訓(xùn)練小鼠將視覺刺激與水關(guān)聯(lián)起來，這樣每當(dāng)垂直條出現(xiàn)時它們會舔水。在小鼠學(xué)會將視覺刺激與舔這一動作相關(guān)聯(lián)之后，研究人員確定了小鼠中對垂直條有反應(yīng)的神經(jīng)元組，并使用雙光子激光重新激活了這些神經(jīng)元。這種再激活讓小鼠正常舔食的次數(shù)超過預(yù)期，甚至在沒有任何視覺刺激的情況下誘發(fā)了這個動作，就好像小鼠出現(xiàn)了看到垂直條形 幻覺。研究人員甚至通過僅刺激兩個神經(jīng)元來觸發(fā)舔食行為，只要它們是與行為相關(guān)的特定神經(jīng)元組。
幾十年來，人們已經(jīng)實現(xiàn)通過電刺激大腦的不同區(qū)域來改善運動障礙的癥狀，例如帕金森癥，這種被稱為深部腦刺激的技術(shù)每年幫助了數(shù)萬名患者。然而，該技術(shù)涉及操縱大量神經(jīng)元，其空間位置和身份未知。
在這項研究中，研究人員展示了相關(guān)原理的證據(jù)，即識別和靶向特殊的神經(jīng)元可以改變行為，“開辟了使用這種技術(shù)來幫助糾正腦部疾病問題的途徑，“Carrillo-Reid說。
“此外，通過激活一些神經(jīng)元可以取代感官刺激，表明我們可能開始更接近理解感知是什么，或者說是什么是思想，這可能是了解我們的思想如何運作的重要一步。”
原創(chuàng)作者：上海遠慕生物科技有限公司
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