發(fā)布日期：2019-07-26

　　激發(fā)記憶、感覺或運(yùn)動(dòng)需要多少神經(jīng)元？神經(jīng)科學(xué)家們一直在努力回答這個(gè)問題。

　　近日，有兩個(gè)研究小組采用光遺傳學(xué)（一種利用光刺激神經(jīng)元的技術(shù)）精確地喚醒了小鼠視覺皮層中的特定細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)，僅僅對(duì)幾個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行電擊，就能觸發(fā)與向動(dòng)物展示視覺圖像時(shí)相同的大腦活動(dòng)，并能讓它們做出類似看到這種圖案的反應(yīng)。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院神經(jīng)學(xué)家Thomas Knopfel 談到該新實(shí)驗(yàn)時(shí)說：“實(shí)際上，這些神經(jīng)元控制了大腦的內(nèi)部世界。”

　　“我們不知道有多少細(xì)胞可以觸發(fā)復(fù)雜的思想、感覺或情感，”美國(guó)斯坦福大學(xué)神經(jīng)學(xué)家和精神病學(xué)家Karl Deisseroth說，“但鑒于我們?cè)谛∈笊砩系陌l(fā)現(xiàn)，這可能是一個(gè)令人驚訝的小數(shù)字。”他領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)新研究發(fā)表在近日的《科學(xué)》雜志上。

　　Deisseroth說，這一觀察結(jié)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(jīng)元光遺傳學(xué)研究會(huì)指明針對(duì)性的方法，來消除這些狀態(tài)并治療腦部疾病。

　　神經(jīng)科學(xué)家花了幾十年時(shí)間觀察當(dāng)小鼠大腦中的某些部分被電擊或被光遺傳學(xué)刺激時(shí)（包括將一種叫做視蛋白的感光蛋白基因?qū)肷窠?jīng)元），它們會(huì)表現(xiàn)出怎樣的行為。在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，研究人員用擴(kuò)散的藍(lán)綠光脈沖喚醒特定細(xì)胞類型的含視蛋白的神經(jīng)元，但Deisseroth團(tuán)隊(duì)一直在用一種對(duì)紅光敏感的視蛋白和近紅外激光光束。

　　“想象大腦中的每個(gè)神經(jīng)元都像鋼琴上的一個(gè)鍵，你可以準(zhǔn)確選擇打開哪個(gè)神經(jīng)元。”美國(guó)哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Rafael Yuste說。

　　在這兩項(xiàng)新研究中，Deisseroth和Yuste的研究小組通過一種叫做空間光調(diào)制器的設(shè)備，將激光束轉(zhuǎn)換成全息圖，從而鎖定預(yù)定的細(xì)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(jīng)元激活時(shí)會(huì)發(fā)出熒光，因此研究人員能夠辨別哪些細(xì)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(xùn)練它們當(dāng)平行線位于特定方向時(shí)舔舐水嘴。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞“調(diào)整”后，會(huì)根據(jù)水平線方向優(yōu)先觸發(fā)。

　　Yuste研究小組上個(gè)月在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了實(shí)驗(yàn)成果。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屏幕上的豎條難以辨認(rèn)時(shí)，刺激兩個(gè)連接特別緊密的神經(jīng)元會(huì)讓小鼠更容易舔東西，當(dāng)屏幕上什么都沒有時(shí)，這種刺激甚至?xí)T發(fā)小鼠舔舐水嘴的動(dòng)作。

　　Yuste說，研究結(jié)果支持了一個(gè)長(zhǎng)期存在的理論，即共同激活的神經(jīng)元群（而不是單個(gè)細(xì)胞）構(gòu)成了感知和記憶的基本構(gòu)件。柏林洪堡大學(xué)神經(jīng)學(xué)家Michael Brecht認(rèn)為，這仍然有爭(zhēng)議。他說，個(gè)體神經(jīng)元也有可能“只是做它們自己的事情，并以增量的方式對(duì)大腦功能作出貢獻(xiàn)”，細(xì)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(duì)精確觸發(fā)神經(jīng)元的研究可能會(huì)幫助了解其群體作用。

　　與此同時(shí)，Deisseroth研究小組激活了更多的神經(jīng)元，并評(píng)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(xì)胞海洋生物中新發(fā)現(xiàn)的一種基因，這種基因可以產(chǎn)生高度敏感的視蛋白。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將大約10~20個(gè)細(xì)胞按某種視覺圖像進(jìn)行調(diào)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(zhǔn)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(cè)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(guó)國(guó)家科研中心下屬視覺研究所物理學(xué)家Valentina Emiliani表示，光基因刺激能夠完全重建真實(shí)的視覺。不過，她認(rèn)為令人興奮的是，敲擊幾個(gè)神經(jīng)元就能喚起整個(gè)大腦與視覺有關(guān)的活動(dòng)。

　　據(jù)了解，Deisseroth和Yuste實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃使用單神經(jīng)元光遺傳學(xué)技術(shù)，來發(fā)現(xiàn)隱藏于更復(fù)雜行為下的神經(jīng)元。Yuste已經(jīng)在小鼠身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，目的是通過刺激神經(jīng)元群，來逆轉(zhuǎn)精神分裂癥和阿爾茨海默氏癥的癥狀。（辛雨）

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)