哥伦比亚大学的一组神经科学家首次通过激活小鼠视觉皮层的一些神经元来控制小鼠的视觉行为。
在他们发表在《细胞》杂志上的研究中，研究人员证明了一组特定的神经元，即一组神经元，在行为中起着因果作用。研究人员使用新的光学和分析工具来识别小鼠皮层组合并执行视觉任务。他们还利用高分辨率光遗传学，以单细胞精度同时瞄准选定的神经元，以控制小鼠的行为。虽然任务相关神经元的准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降低了行为。
Rafael Yuste说：“这是我们实验室几十年来最令人兴奋的工作，因为我们已经证明了皮层组合是行为的关键，我们可以随身携带钢琴，随意改变动物的行为。该研究的资深作者，哥伦比亚大学生物科学教授。“此外，数据显示，神经元集合是视觉刺激的内部表征，”尤斯特补充道，他也是哥伦比亚数据科学研究所的成员。
这项研究可能在医学上有重要的应用。识别具有单细胞准确性的生理相关神经元集合可用于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。Yuste实验室前研究员、本文第一作者Luis Carrillo-Reid表示，通过重组这些神经元模式，有可能治疗阿尔茨海默病、帕金森病或精神分裂症等精神和神经疾病中异常活动模式导致的病理状况。"通过全息回忆皮层集合控制视觉引导行为."
卡里略-里德说：“我们离将这些方法用作患者的治疗方法还很远。“但这项研究可能代表了对大脑进行精确重新编程的路线图，这将使神经科学更接近临床。”
在尤斯特实验室工作时，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，这是尤斯特团队最初为光学读写神经元活动开发的。利用钙成像，人们可以追踪神经回路中哪些神经元发出信号，而利用光遗传学，人们可以随意激活神经元。此外，使用双光子激光，该团队可以在跑步机上运行动物的大脑，以单细胞精度进行钙成像和光遗传学。
研究人员将病毒注射到小鼠体内，使它们能够观察大脑神经元的活动模式。他们也可以利用光来精确地控制他们神经元的活动。接下来，他们将老鼠连接到双光子显微镜上，在小跑步机上跑步时观察它们。两周以来，研究人员训练老鼠将视觉刺激——视频屏幕上飘动的竖条——与水联系起来，这样每当竖条出现时，它们就会舔水嘴。在小鼠学会将视觉刺激与舔舔联系起来后，研究人员确定了小鼠中对竖条有反应的神经元组，并用双光子激光重新激活这些神经元。这种重新激活有助于小鼠的正常舔舐时间超出预期，甚至诱导没有任何视觉刺激的舔舐，就好像小鼠将竖条视为幻觉一样。研究人员甚至通过仅刺激两个神经元来触发舔舔行为，只要它们是与行为相关的特定神经元组。
几十年来，人们使用电刺激大脑的不同区域来改善运动障碍的症状，如帕金森病，最近将神经精神疾病视为抑郁症。这项被称为深度脑刺激的技术每年被用来帮助成千上万的病人。然而，这项技术涉及操纵大量的神经元，它们的空间位置和身份是未知的。在这项研究中，研究人员展示了原则的证据，即识别和瞄准非常特殊的神经元可以改变行为，开辟了一种使用这种技术帮助纠正脑部疾病的方法，”卡里略-里德说，他现在领导着墨西哥国立自治大学的实验室。
“此外，感觉刺激可以被激活一些神经元所取代的事实表明，我们可能开始更接近理解感知是什么，或者思想是什么，”yust说。“这可能是理解我们的思想如何运作的重要一步。”
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