Cell:精确到单细胞!瞄准两个神经元便能控制视觉行为
2019/07/09
瞄准两个神经元就能控制视觉行为。

多年以来,人们试图通过对大脑不同区域进行电击来改善或治疗帕金森等运动障碍或抑郁症等神经障碍疾病。成千上万的神经疾病患者因此得以缓解病情。然而,这项治疗会牵扯到脑部大量未知的神经元。如果能够精确控制某几个控制疾病的神经元或将打开治疗神经性疾病的大门。

近日,哥伦比亚大学的神经科学家首次通过激活老鼠视觉皮层的几个神经元来控制老鼠的视觉行为。这项研究证明了特定的神经元集合在行为中具有因果关系。该研究发表在《Cell》杂志上。


DOI:htps://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.045

光学遗传技术“照亮”大脑神经元

研究人员使用了新的光学分析工具来识别小鼠在进行视觉观察时的大脑皮质整体。这种叫做“双光子成像”的光学遗传技术具有极高的分辨率,可以精确到单细胞并同时靶向选定的不同神经元来控制小鼠行为。

双光子成像技术是脑科学研究的热点前沿技术,可打造全景式脑连接图谱和功能动态图谱。它以更高的分辨率打破尺度的壁垒,将微观神经元与个体行为联系到一起。

相较于单光子激发,双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势。值得一提的是,双光子激光器一般都比较轻,可以在小动物的头部颅窗上实时记录数十个神经元与上千个神经突触的信号。


研究人员使用神经回路的双光子钙成像和双光子光遗传学对小鼠进行实验。使用钙成像可以跟踪确定哪些神经元在活动,使用光遗传学可以随意激活神经元。如此一来,双光子激光器便能以单细胞精度对小鼠的大脑进行钙成像和光遗传学研究。

刺激两个神经元便能控制视觉行为

研究人员先给老鼠注入病毒以便能够观察大脑中的神经元活动模式。接着将小鼠置于双光子显微镜下观察老鼠在小型跑步机上跑步时的脑部活动。在两周的时间里,研究人员训练老鼠看到垂直条状物便舔舐水嘴(a water spout),将老鼠的视觉刺激转化为行为模式。每当老鼠看到视频屏幕上出现漂浮的垂直条状物时他们就会去舔水。


当老鼠将视觉刺激与舔舐行为联系起来后,研究人员确定了老鼠大脑里对垂直条纹反应的神经元集合,并使用双光子激光重新刺激这些神经元。这种重复刺激让老鼠舔水的次数超过预期设定,甚至在没有视觉刺激的情况下也会诱发舔水行为,就像是老鼠看到垂直条形物一样。

随后,研究人员进一步确定了控制行为的神经元。只需要刺激两个神经元便可以诱导小鼠的舔舐水嘴的行为。

重现编写神经回路


Rafael Yuste 图片来源:哥伦比亚大学官网

该研究的资深作者和哥伦比亚大学生物科学教授Rafael Yuste说:“这是几十年来我实验室最激动人心的工作,因为我们证明皮质组合是行为的关键,我们可以改变动物的行为表现。此外,数据表明神经元集合是视觉刺激的内部表征。”

这项研究在医学上可能有重大意义。以单细胞精确度识别生理学相关的神经元集合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。这有助于治疗像是阿尔茨海默氏症、帕金森病或精神分裂症之类的神经系统疾病。


值得注意的是,虽然与任务相关的神经元的精确激活提高了动物的表现,但与任务无关的其他神经元的激活抑制了行为活跃度。

论文第一作者Luis Carrillo-Reid说:“我们还远没有将这些方法用于治疗患者,但这项研究可以为精确地重新编程大脑提供一个路线图,使神经科学更接近临床。”

参考资料:

[1] In new study, researchers controlled behavior in a mouse's brain with single-cell precision

[2] Researchers controlled the behavior in a mouse's brain with single-cell precision


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