多年以來(lái)，人們?cè)噲D通過(guò)對(duì)大腦不同區(qū)域進(jìn)行電擊來(lái)改善或治療帕金森等運(yùn)動(dòng)障礙或抑郁癥等神經(jīng)障礙疾病。成千上萬(wàn)的神經(jīng)疾病患者因此得以緩解病情。然而，這項(xiàng)治療會(huì)牽扯到腦部大量未知的神經(jīng)元。如果能夠精確控制某幾個(gè)控制疾病的神經(jīng)元或?qū)⒋蜷_(kāi)治療神經(jīng)性疾病的大門(mén)。
近日，哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家首次通過(guò)激活老鼠視覺(jué)皮層的幾個(gè)神經(jīng)元來(lái)控制老鼠的視覺(jué)行為。這項(xiàng)研究證明了特定的神經(jīng)元集合在行為中具有因果關(guān)系。
光學(xué)遺傳技術(shù)“照亮”大腦神經(jīng)元
研究人員使用了新的光學(xué)分析工具來(lái)識(shí)別小鼠在進(jìn)行視覺(jué)觀察時(shí)的大腦皮質(zhì)整體。這種叫做“雙光子成像”的光學(xué)遺傳技術(shù)具有極高的分辨率，可以精確到單細(xì)胞并同時(shí)靶向選定的不同神經(jīng)元來(lái)控制小鼠行為。
雙光子成像技術(shù)是腦科學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿技術(shù)，可打造全景式腦連接圖譜和功能動(dòng)態(tài)圖譜。它以更高的分辨率打破尺度的壁壘，將微觀神經(jīng)元與個(gè)體行為聯(lián)系到一起。
相較于單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有良好的光學(xué)斷層、更深的生物組織穿透等優(yōu)勢(shì)。值得一提的是，雙光子激光器一般都比較輕，可以在小動(dòng)物的頭部顱窗上實(shí)時(shí)記錄數(shù)十個(gè)神經(jīng)元與上千個(gè)神經(jīng)突觸的信號(hào)。
研究人員使用神經(jīng)回路的雙光子鈣成像和雙光子光遺傳學(xué)對(duì)小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使用鈣成像可以跟蹤確定哪些神經(jīng)元在活動(dòng)，使用光遺傳學(xué)可以隨意激活神經(jīng)元。如此一來(lái)，雙光子激光器便能以單細(xì)胞精度對(duì)小鼠的大腦進(jìn)行鈣成像和光遺傳學(xué)研究。
刺激兩個(gè)神經(jīng)元便能控制視覺(jué)行為
研究人員先給老鼠注入病毒以便能夠觀察大腦中的神經(jīng)元活動(dòng)模式。接著將小鼠置于雙光子顯微鏡下觀察老鼠在小型跑步機(jī)上跑步時(shí)的腦部活動(dòng)。在兩周的時(shí)間里，研究人員訓(xùn)練老鼠看到垂直條狀物便舔舐水嘴（a water spout），將老鼠的視覺(jué)刺激轉(zhuǎn)化為行為模式。每當(dāng)老鼠看到視頻屏幕上出現(xiàn)漂浮的垂直條狀物時(shí)他們就會(huì)去舔水。
當(dāng)老鼠將視覺(jué)刺激與舔舐行為聯(lián)系起來(lái)后，研究人員確定了老鼠大腦里對(duì)垂直條紋反應(yīng)的神經(jīng)元集合，并使用雙光子激光重新刺激這些神經(jīng)元。這種重復(fù)刺激讓老鼠舔水的次數(shù)超過(guò)預(yù)期設(shè)定，甚至在沒(méi)有視覺(jué)刺激的情況下也會(huì)誘發(fā)舔水行為，就像是老鼠看到垂直條形物一樣。
隨后，研究人員進(jìn)一步確定了控制行為的神經(jīng)元。只需要刺激兩個(gè)神經(jīng)元便可以誘導(dǎo)小鼠的舔舐水嘴的行為。
重現(xiàn)編寫(xiě)神經(jīng)回路
該研究的資深作者和哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)教授Rafael Yuste說(shuō)：“這是幾十年來(lái)我實(shí)驗(yàn)室最激動(dòng)人心的工作，因?yàn)槲覀冏C明皮質(zhì)組合是行為的關(guān)鍵，我們可以改變動(dòng)物的行為表現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)表明神經(jīng)元集合是視覺(jué)刺激的內(nèi)部表征。”
這項(xiàng)研究在醫(yī)學(xué)上可能有重大意義。以單細(xì)胞精確度識(shí)別生理學(xué)相關(guān)的神經(jīng)元集合可用于重新組織靶神經(jīng)元之間的活動(dòng)模式，重新編程錯(cuò)誤的神經(jīng)回路。這有助于治療像是阿爾茨海默氏癥、帕金森病或**分裂癥之類(lèi)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
值得注意的是，雖然與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元的精確激活提高了動(dòng)物的表現(xiàn)，但與任務(wù)無(wú)關(guān)的其他神經(jīng)元的激活抑制了行為活躍度。
論文第一作者Luis Carrillo-Reid說(shuō):“我們還遠(yuǎn)沒(méi)有將這些方法用于治療患者，但這項(xiàng)研究可以為精確地重新編程大腦提供一個(gè)路線圖，使神經(jīng)科學(xué)更接近臨床。”
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