Cell：研究人员用单细胞精确控制老鼠大脑的行为
哥伦比亚大学的一个神经科学家小组首次通过激活老鼠视觉皮层中的几个神经元来控制老鼠的视觉行为。
在发表在《Cell》杂志上的研究中，研究人员证明了所谓的神经元群在行为中具有因果关系。研究人员使用了新的光学和分析工具，在小鼠执行视觉任务时识别其皮层集合。他们还使用高分辨率光遗传学以单细胞精度同时靶向选定的神经元，控制小鼠的行为。与任务相关的神经元的精确激活提高了动物的性能，而与任务无关的其他神经元的激活降低了动物的行为。
"这是我的实验室几十年以来最激动人心的工作，因为我们证明了皮质集合体对于行为至关重要。"这项研究的资深作者、哥伦比亚大学的生物科学教授Rafael Yuste说道。"此外，数据表明，神经元整体是视觉刺激的内部表现，"Yuste补充说，他也是哥伦比亚大学数据科学研究所的成员。
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这项研究可能在医学上有重要的应用。用单细胞精确度识别生理相关的神经系统，可以用来重组目标神经元之间的活动模式，并重新编程错误的神经回路。重组这些神经元模式有可能治疗精神和神经系统疾病条件引起的异常活动模式，如阿尔茨海默氏症、帕金森病或精神分裂症，该研究主要作者Luis Carrillo-Reid说道。"通过对皮质整体的全息回忆来控制视觉引导的行为。"
Carrillo-Reid说："我们还远没有到达把这些方法用于治疗病人的地步，但是这项研究可能代表了一种精确地重新编程大脑的方法，使神经科学离临床更近了一步。"
在Yuste实验室工作的研究人员使用了神经回路的双光子钙成像和双光子光遗传学，这两种方法最初是由Yuste小组开发的，用于光学阅读和书写神经活动。利用钙成像技术，人们可以追踪神经回路中哪些神经元在活动，而利用光遗传学技术，人们可以随意激活神经元。此外，通过使用双光子激光器，研究小组能够在动物在跑步机上跑步时对其大脑进行钙成像和光遗传学的单细胞精确度。
研究人员给老鼠注射病毒，让他们观察大脑中的神经活动模式。他们还能够用光精确地操纵神经元的活动。接下来，他们把老鼠绑在双光子显微镜上，观察它们在小型跑步机上跑步的情况。在两周的时间里，研究人员训练这些老鼠将视觉刺激--在视频屏幕上呈现给它们的漂移的竖条--与水联系起来，这样每当竖条出现时，它们就会舔掉一个喷口。在老鼠学会了将视觉刺激与舔舐联系起来后，研究人员确定了对竖条做出反应的老鼠的一组神经元，并用双光子激光重新激活这些神经元。这种重新激活帮助老鼠正确地舔了比预期更多的次数，甚至在没有任何视觉刺激的情况下唤起了舔舐，就好像老鼠把竖条看成是一种幻觉。研究人员甚至通过只刺激两个神经元来触发舔舐行为，只要它们是与舔舐行为相关的特定神经元群。
几十年来，对大脑不同区域的电刺激一直被用来改善帕金森等运动障碍的症状，最近又被用来治疗神经精神疾病如抑郁症。这种被称为脑深部刺激的技术每年被用来帮助成千上万的病人。然而，这项技术涉及到对大量神经元的操纵，这些神经元的空间位置和身份是未知的。在这项研究中，研究人员从原理上证明了，识别和定位非常具体的神经元可以改变行为，打开了通往正确使用这种技术来帮助脑部疾病的问题的大门。
Yuste说："此外，一个人可以通过激活几个神经元来取代感官刺激，这表明我们可能开始更接近于理解什么是知觉，什么是思想。这可能是理解我们的思维如何运作的重要一步。"
