多年以來，人們試圖通過對大腦不同區(qū)域進行電擊來改善或治療帕金森等運動障礙或抑郁癥等神經(jīng)障礙疾病。成千上萬的神經(jīng)疾病患者因此得以緩解病情。然而，這項治療會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控制疾病的神經(jīng)元或?qū)⒋蜷_治療神經(jīng)性疾病的大門。
近日，哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家首次通過激活老鼠視覺皮層的幾個神經(jīng)元來控制老鼠的視覺行為。這項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)分析工具來識別小鼠在進行視覺觀察時的大腦皮質(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，可以精確到單細胞并同時靶向選定的不同神經(jīng)元來控制小鼠行為。
雙光子成像技術(shù)是腦科學(xué)研究的熱點前沿技術(shù)，可打造全景式腦連接圖譜和功能動態(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。值得一提的是，雙光子激光器一般都比較輕，可以在小動物的頭部顱窗上實時記錄數(shù)十個神經(jīng)元與上千個神經(jīng)突觸的信號。
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)對小鼠進行實驗。使用鈣成像可以跟蹤確定哪些神經(jīng)元在活動，使用光遺傳學(xué)可以隨意激活神經(jīng)元。如此一來，雙光子激光器便能以單細胞精度對小鼠的大腦進行鈣成像和光遺傳學(xué)研究。
刺激兩個神經(jīng)元便能控制視覺行為
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上跑步時的腦部活動。在兩周的時間里，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他們就會去舔水。
當(dāng)老鼠將視覺刺激與舔舐行為聯(lián)系起來后，研究人員確定了老鼠大腦里對垂直條紋反應(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)超過預(yù)期設(shè)定，甚至在沒有視覺刺激的情況下也會誘發(fā)舔水行為，就像是老鼠看到垂直條形物一樣。
隨后，研究人員進一步確定了控制行為的神經(jīng)元。只需要刺激兩個神經(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：“這是幾十年來我實驗室最激動人心的工作，因為我們證明皮質(zhì)組合是行為的關(guān)鍵，我們可以改變動物的行為表現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)表明神經(jīng)元集合是視覺刺激的內(nèi)部表征。”
這項研究在醫(yī)學(xué)上可能有重大意義。以單細胞精確度識別生理學(xué)相關(guān)的神經(jīng)元集合可用于重新組織靶神經(jīng)元之間的活動模式，重新編程錯誤的神經(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物的表現(xiàn)，但與任務(wù)無關(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:“我們還遠沒有將這些方法用于治療患者，但這項研究可以為精確地重新編程大腦提供一個路線圖，使神經(jīng)科學(xué)更接近臨床。”
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