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Cell:第一次在单细胞水平上控制大脑的行为

日期: 2019年07月05日


    

来自哥伦比亚大学的神经科学家团队首次通过激活小鼠视觉皮层中的一些神经元来控制小鼠的视觉行为。

 

这一重要发现公布在Cell杂志上。

 

在这篇文章中,研究人员证明了特定的神经元集群在行为中具有因果作用。他们利用新开发的光学分析工具,识别进行视觉任务的小鼠皮质集群(cortical ensemble,生物通注),还通过高分辨率光遗传学以单细胞精确度同时靶向靶标神经元,控制小鼠的行为。结果表明与任务相关的神经元的精确激活提高了动物表现,与任务无关的其他神经元的激活降低了行为表现。

 

“这是几十年来我们实验室完成的最激动人心的工作,因为这证明皮质集群是行为的关键,我们可以通过控制它们,改变动物的行为表现,”文章通讯作者,哥伦比亚大学生物科学教授Rafael Yuste说, “此外,数据表明,神经元集群是视觉刺激的内部表征”。

 

这项研究可能在医学上有重要的应用。以单细胞精确度识别生理学相关的神经元集群可用于重新组织靶神经元之间的活动模式,重新编程错误的神经回路。

 

“要想将这些方法应用于患者,那还早,”文章一作,Luis Carrillo-Reid说,“但这项研究可能代表了精确重编程大脑的路线图。”

 

这项研究的主要采用了神经回路双光子钙成像和双光子光遗传学,这是Yuste当局断绝哦最初开发的用于光学读写神经元活动的方法。使用钙成像,人们可以跟踪哪些神经元在神经回路中发射,而使用光遗传学,可以随意激活神经元。此外,研究人员利用双光子激光也可以运行动物的大脑,以单细胞精度执行钙成像和光遗传学。

 

在这项研究中,研究人员给小鼠注射了病毒,从而能够观察到大脑中的神经元活动模式。他们还能够用光精确地操纵神经元活动。之后研究人员又将小鼠连接到双光子显微镜上,并让它们在小跑步机上跑步,观察它们。在两个星期的时间里,研究人员训练小鼠将视觉刺激与水关联起来,这样每当垂直条出现时它们会舔水。在小鼠学会将视觉刺激与舔这一动作相关联之后,研究人员确定了小鼠中对垂直条有反应的神经元组,并使用双光子激光重新激活了这些神经元。这种再激活让小鼠正常舔食的次数超过预期,甚至在没有任何视觉刺激的情况下诱发了这个动作,就好像小鼠出现了看到垂直条形 幻觉。研究人员甚至通过仅刺激两个神经元来触发舔食行为,只要它们是与行为相关的特定神经元组。

 

几十年来,人们已经实现通过电刺激大脑的不同区域来改善运动障碍的症状,例如帕金森症,这种被称为深部脑刺激的技术每年帮助了数万名患者。然而,该技术涉及操纵大量神经元,其空间位置和身份未知。

 

在这项研究中,研究人员展示了相关原理的证据,即识别和靶向特殊的神经元可以改变行为,“开辟了使用这种技术来帮助纠正脑部疾病问题的途径,“Carrillo-Reid说。

 

“此外,通过激活一些神经元可以取代感官刺激,表明我们可能开始更接近理解感知是什么,或者说是什么是思想,这可能是了解我们的思想如何运作的重要一步。”

 

原文标题:

Controlling Visually Guided Behavior by Holographic Recalling of Cortical Ensembles

 

转载标题:Cell:第一次在单细胞水平上控制大脑的行为

 

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