Science张锋导师再创记录成功植入幻觉通过光刺激神经元

哺乳动物的视觉感知与视觉皮层中出现的神经回路活动有关,但尚不清楚为什么有些活动模式会产生感知体验,而另一些则不会.

幻觉是可怕的,但幸运的是出现幻觉是非常罕见的. 但是,一项新的研究表明,真正的问题不在于为什么有些人偶尔会出现幻觉,而是为什么我们不会一直产生幻觉.

2019年7月18日,斯坦福大学医学院的 Karl Deisseroth 教授团队在 Science 杂志在线发表了题为:" Cortical layer-specific critical dynamics triggering perception '的研究文章.

在这项研究中, 研究人员通过刺激老鼠视觉皮层的神经细胞,使老鼠的大脑中产生了一种幻觉 .这项研究对更好地理解大脑中的自然信息处理以及精神疾病(如精神分裂症)具有重要意义,并指出了设计具有单细胞分辨率的神经修复装置的可能性.

该文章的通讯作者 Karl Deisseroth 教授说"早在2012年,我们就已经可以在清醒/警觉的动物身上控制个别特定神经元的活动.现在,也是第一次,我们已经可以同时控制多个单独指定的细胞, 让动物感知到一些实际上并不存在的东西,并做出相应的行为 .'

光遗传学之父:Karl Deisseroth

在2005 年, Karl Deisseroth 团队在 Nature NeuroSCIence 杂志发表了题为: Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity (毫秒时间尺度,基因靶向光学控制神经活动) 的研究文章.该文章的发表宣告了 光遗传学技术的诞生,彻底改变了神经科学领域,Karl Deisseroth 也因此被称为 光遗传学之父 .

该文章的通讯作者 Karl Deisseroth  / 第一作者 Edward Boyden  前几天与另外两名光遗传学专家共同荣获2019年度的 沃伦·阿尔伯特奖 .

特别值得一提的是,CRISPR基因编辑先驱 张锋 是这篇光遗传学开创性文章的共同第一作者,当时张锋年仅22岁.

光 遗 传 学技术使研究人员能够用光脉冲刺激动物自由运动的特定神经元,并观察其对动物大脑功能和行为的影响.

在这项新的研究中,Karl Deisseroth 教授和他的同事将两种基因一起插入到实验小鼠视觉皮层的大量神经元中. 其中一个基因编码了一种光敏蛋白,这种蛋白能使神经元在受到一束颜色很窄的激光脉冲时产生反应(在本例中是红外光谱). 另一个基因编码一种荧光蛋白,每当神经元活跃时,这种蛋白就会发出绿光.

科学家们通过切除老鼠的部分头骨,使其大脑的视觉皮层暴露出来,从而在老鼠的大脑中制造出了"颅窗'. 在人类和老鼠的大脑中,视觉皮层均负责处理视网膜传递的信息. 研究人员用一层透明的玻璃来保护这一暴露区域. 然后,他们使用了为这项研究开发的一种设备,将全息图(目标光子的三维结构)投射到并进入视觉皮层. 这些光子会沿着特定的神经元精确地降落. 研究人员可以监测大脑皮层两层不同神经元的活动结果,这两层神经元的面积约为1平方毫米,包含的神经元数量约为数千个.

研究人员将老鼠的头固定在一个舒适的位置,然后在屏幕上给老鼠随机显示一系列水平和垂直的条形图. 研究人员观察并记录了暴露在外的视觉皮层中哪些神经元会优先被一个或另一个方向激活. 从这些结果中,科学家们能够鉴定出被水平或垂直条形图"调整'的散布的独特神经元群.

然后,他们能够以全息图的形式"回放'这些记录,全息图只在对水平或垂直条形图有反应的神经元上产生红外光斑点. 由此产生的下游神经元活动,即使离被刺激神经元较远,也与在屏幕上显示自然刺激(白色背景上的黑色水平或垂直条形图)时所观察到的非常相似.

科学家们训练老鼠在看到竖条时舔附近管子的末端喝水,在看到横条或横条竖条都看不到时不舔. 在接下来的几天里,随着这些动物辨别水平和垂直条纹的能力的提高,科学家们逐渐降低黑白对比使这项任务变得越来越难. 他们发现, 如果同时用光遗传学刺激来补偿视觉显示,老鼠的表现就会活跃 : 例如, 如果动物的活跃度因对比度降低而下降,研究人员可以通过刺激神经元来增强其辨别能力,这些神经元先前被认为对水平或垂直方向的条形图有优先反应.

只有当光遗传学刺激与视觉刺激一致时 (例如,竖条显示加上可能对在垂直方向的条形图有反应的神经元刺激) ,这种刺激才会发生.

一旦老鼠能够熟练地辨别水平和垂直条纹,科学家们就能够通过将"垂直'全息程序投射到老鼠的视觉皮质上,来诱导老鼠舔管子的行为. 但如果"水平'程序被投射出来,老鼠就不会舔管子.

"不仅是动物在做同样的事情,大脑也是. ' Deisseroth 教授说,"所以我们知道,我们是在重新创造自然的感知,或者是在创造非常类似的东西. '

在他们早期的实验中,科学家们已经确定了许多神经元被调整为水平或垂直方向,但他们还没有从光遗传学的角度直接刺激每一个特定的神经元. 一旦小鼠接受训练,对这些神经元进行少量的光遗传学刺激就足以使小鼠做出适当的舔舐或不舔舐行为.

研究人员惊奇地发现, 光遗传学刺激约20个神经元 (在某些情况下更少) ,就可以产生与显示垂直或水平条相同的神经元活动和动物行为 .

Deisseroth教授说:"非常值得注意的是, 要让动物产生一个感知,需要刺激的神经元是如此之少 . 老鼠的大脑有数百万个神经元,人类的大脑有数十亿. 如果只有20个左右就能产生一种感知,那么 为什么我们不是一直在产生幻觉呢 ? 该研究表明,哺乳动物的大脑皮层以某种方法对数量少得惊人的细胞做出反应,而不会对背景噪音产生虚假的感知. '

总的来说,该文章研究了不同条件下整体刺激的特殊感觉体验可能有助于促进治疗策略的发展,用于神经修复术以及涉及幻觉或妄想的神经精神症状. 更广泛地说,在学习过程中,跟踪和控制大尺度细胞分辨率整体的能力,以及选择性地将新的细胞和整体连接到行为相关回路的能力,可能对研究和利用健康和疾病中潜在的学习和记忆的可塑性具有重要意义.

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