通過(guò)光操縱的神經(jīng)元（圖片來(lái)源：Dr. Chris Henstridge/Science Photo Library）

撰文 | 凱倫·溫特勞布（Karen Weintraub）

翻譯 | 何雨珊

審校 | 楊心舟

最近，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家用光信號(hào)激活了小鼠的一部分腦細(xì)胞，使它們產(chǎn)生了視幻覺(jué)。研究人員只需刺激其部分神經(jīng)元，小鼠就好像感知到了某些不存在的東西，這意味著，大腦的可塑性可能遠(yuǎn)比我們所認(rèn)為的要強(qiáng)。

在小鼠觀察到圖像并將信息傳輸進(jìn)大腦時(shí)，只有極少數(shù)的細(xì)胞參與了這一過(guò)程?！霸谶@種情況下，為什么我們不會(huì)時(shí)刻產(chǎn)生視幻覺(jué)呢？”這項(xiàng)研究的通訊作者卡爾·德瑟羅斯提出了這一問(wèn)題。

目前，科學(xué)家還不清楚健康的大腦是如何避免產(chǎn)生幻覺(jué)的，但是“作為一名精神病學(xué)家，幻覺(jué)會(huì)讓我聯(lián)想到精神疾病中很多非本人意愿的怪異行為，”德瑟羅斯提到了精神分裂癥和其他疾病，他希望從幻覺(jué)入手，對(duì)這些疾病進(jìn)行更深層次的研究。

最近發(fā)表在《科學(xué)》上的研究中，德瑟羅斯訓(xùn)練了小鼠的視覺(jué)與感知過(guò)程，同時(shí)記錄了此時(shí)大腦活動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)元。之后只要去刺激這部分的神經(jīng)元，小鼠就會(huì)產(chǎn)生“幻覺(jué)”，仿佛看見(jiàn)了訓(xùn)練時(shí)看到的圖像一樣。 

倫敦大學(xué)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授邁克爾·H·烏瑟表示，這項(xiàng)新的工作將幫助科學(xué)家“了解大腦皮層中的神經(jīng)回路是如何讓我們感知世界的”，他本月在《細(xì)胞》上發(fā)表了一項(xiàng)類(lèi)似的研究。

在德瑟羅斯的實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓小鼠觀察白色背景上垂直和水平的黑條來(lái)接受簡(jiǎn)單的視覺(jué)刺激，并訓(xùn)練它們看到垂直條帶時(shí)舔管子喝水。德瑟羅斯記錄了小鼠在該過(guò)程中視覺(jué)皮層的神經(jīng)活動(dòng)，即使不給出圖像，只要用光遺傳學(xué)技術(shù)刺激相同的區(qū)域的神經(jīng)元，小鼠對(duì)不存在事物也會(huì)產(chǎn)生感知。那些沒(méi)有直接被刺激的神經(jīng)元，也會(huì)產(chǎn)生看到圖像時(shí)的類(lèi)似活動(dòng)。

接著，研究人員逐漸降低了圖像的對(duì)比度，直到小鼠難以分辨出垂直條帶和水平條帶。但當(dāng)研究人員刺激那些對(duì)垂直條帶作出反應(yīng)的神經(jīng)元時(shí)，老鼠能夠更好地在模糊圖像中正確分辨出垂直條帶。

德瑟羅斯中的新方法將有助于理解信息是如何在大腦回路中存儲(chǔ)和展示的。烏瑟最近進(jìn)行了類(lèi)似的研究，“如果我們通過(guò)這些方法能夠弄清楚大腦是如何控制感知的，那么我們就可以真正地模擬出感覺(jué)，”他說(shuō)，“只要做到這一點(diǎn)就可以制造假肢，幫助大腦感知世界。”

在過(guò)去的十幾年中，德瑟羅斯將光遺傳學(xué)技術(shù)帶進(jìn)了神經(jīng)學(xué)研究領(lǐng)域，研究人員通過(guò)基因工程設(shè)計(jì)，就可以控制不同類(lèi)型的神經(jīng)元在受到光刺激時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉。早在2012年，德瑟羅斯和他的同事們就發(fā)現(xiàn)可以用該方法激活一個(gè)小鼠腦細(xì)胞，接著，他們依次對(duì)一組細(xì)胞進(jìn)行了刺激。

在最近的論文中，德瑟羅斯和他的團(tuán)隊(duì)展示了一種控制腦細(xì)胞活動(dòng)的新方法。他們測(cè)試了多種天然蛋白質(zhì)后，發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)和光遺傳蛋白質(zhì)功能上互補(bǔ)，且不會(huì)互相干擾，這意味著兩者可以同時(shí)起作用，這就使研究人員能夠同時(shí)刺激并使神經(jīng)元成像。

研究小組還證明，這種新的方法可以讓我們進(jìn)一步了解大腦如何感知感覺(jué)信息，麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)教授伊甘卡·蘇爾說(shuō)道，“在干預(yù)一些神經(jīng)元的情況下，我們就可以理解，影響或恢復(fù)感知，”不過(guò)他并沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。

烏瑟指出，目前尚不清楚人類(lèi)大腦的其他感知能力，比如嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)是否也有同樣的反應(yīng)，他說(shuō)，“也許聽(tīng)覺(jué)皮層的情況是截然不同的，我們還不得而知?！?/span>

但德瑟羅斯說(shuō)，他曾獲得的一些線(xiàn)索表明，人類(lèi)大腦功能與小鼠是相似的。他曾經(jīng)接觸過(guò)一位患有視覺(jué)釋放性幻覺(jué)的腦部疾病患者，這種疾病一般發(fā)生在成年失明時(shí)，患者會(huì)自發(fā)形成良好的視覺(jué)幻覺(jué)。德瑟羅斯說(shuō)，抗精神病藥物通常解決不了這種疾病，但是一種抑制某些腦細(xì)胞活動(dòng)的癲癇藥物對(duì)患者產(chǎn)生了作用。這一觀察結(jié)果與他在小鼠大腦中看到的情況相符，即某些細(xì)胞的活動(dòng)使其產(chǎn)生了幻覺(jué)。

接下來(lái)，德瑟羅斯計(jì)劃觀察他所刺激小鼠細(xì)胞的其他特征，包括它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，以及細(xì)胞之間的連接狀況。下一步，他還將追蹤細(xì)胞之間傳遞的信號(hào)，來(lái)弄清楚這些信息在大腦中傳遞的過(guò)程，從而進(jìn)一步描繪哺乳動(dòng)物大腦的運(yùn)作情況。

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