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Nature发布光遗传学突破性成果
在寻求大脑将感觉输入信号转变为行为机制的理解中，哈佛大学的科学家们跨过了一个重要的门槛。利用精确靶向的激光，研究人员控制了一个动物的大脑，命令它按他们选择的任何方向转动，甚至输入假的感觉信息欺骗动物，让它以为食物就在附近。
在这篇发表在9月23日《自然》(Nature)杂志上的论文中，由分子和细胞生物学及应用物理学助理教授Sharad Ramanathan领导的研究小组描述他们通过操纵秀丽隐杆线虫“脑部”的神经元对其进行了控制。
Ramanathan说这项工作非常重要，因为通过在相对简单的动物(线虫只有302个神经元)中控制复杂行为，我们能够了解它的神经系统是如何发挥功能的。
Ramanathan说：“如果我们能够了解简单的神经系统到完全控制它们的程度，那么或许有可能我们能够获得对更复杂系统的全面了解。这为我们提供了一个框架思考神经回路，如何操纵它们，其中操控了哪条回路，生成了哪些活动模式。”
他补充说：“在文献中极其重要的工作侧重在除去神经元，或研究影响神经元功能的突变以及绘制整个神经系统的连接。这些方法大多数是通过破坏来发现特异行为所必需的神经元。我们一直试图解答的问题是：不破坏系统来了解它，我们能否实质上劫持这些足以控制行为的关键神经元，并利用这些神经元来迫使动物完成我们所想的事情?”
在Ramanathan和他的研究小组开始解答这一问题之前，他们还需要克服一些技术挑战。
利用遗传工具，研究人员对神经元发出荧光的线虫进行了遗传工程操作，使得可在实验过程中对它们进行追踪。研究人员还改变了线虫的基因使神经元对光线敏感，这意味着它们可以用激光脉冲激活。
最大的挑战是开发追踪线虫所需的硬件以及在一秒钟内靶向准确的神经元。
他解释说：“我们的目标是只激活一个神经元。这非常具有挑战性因为动物在移动，神经元密集地聚集在头部附近，因此获得动物的图像，处理这一图像，识别神经元，追踪动物，定位你的激光并射向特异神经元――在20毫秒内或每秒大约50次完成所有的事情是一个挑战。当我们开始时工程操作的挑战似乎是不能克服的，但Askin Kocabas最终发现了克服这些挑战的途径。”
研究人员最终开发的系统利用了一种可移动的工作台使得爬行的线虫置于一条相机和激光下。Ramanathan说他们还定制了计算机硬件和软件确保了系统能够以他们需要的瞬间速度运作。
他说最终的结果系统不仅能够控制线虫的行为，还能控制它们的感觉。在论文描述的一项测试中，研究人员利用该系统欺骗线虫大脑相信食物就在附近，导致它径直朝着幻想的食物爬去。
展望未来，Ramanathan和他的研究小组计划探究该系统能够在线虫中控制的其他行为。其他努力包括设计新的相机和计算机硬件以将系统从20毫秒提速到1毫秒。速度提高将允许他们在更为复杂的动物如斑马鱼中测试该系统。
Ramanathan 说：“通过操纵这种动物的神经系统，我们能够让其左转，我们能够让其右转，我们能够让它转圈，我们能让它以为附近就有食物。我们希望了解这种只有几百个神经元的动物大脑，完全且实质上将它转变为一种视频游戏，在游戏中我们能够控制它所有的行为。”
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