下载客户端

老马识途？使用激光对大脑“传送”

2020-12-01 07:05

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创长光所Light中心中国光学收录于话题#光遗传学3个

招募撰稿人/主笔

撰稿 | Olivia（新加坡国立大学博士生）

我们如何从一个地方去到另一个地方？打开地图，设置导航？No No No，正确的打开方式是启动大脑内置的“GPS系统”，找到去目的地的最短路径。

图源：诺贝尔奖官网

这时，你的大脑会先搜索出目的地的海马位置细胞，并启动它，随后另外一种能够产生坐标体系的网格细胞开始工作，进行精确定位与路径搜寻，并找到最短路径到达目的地。内嗅皮层区域的网格细胞与位于海马体内的位置细胞相互协调，构成一条完整的回路。

这一回路系统构成了一个复杂而精细的定位体系，它是我们大脑的“内置GPS”系统，当该系统受损严重后，出门了可能就回不来了，典型的案例就是阿尔茨海默病（老年痴呆症）。

图源：中国科学院长春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组

位置细胞被认为是一个认知地图的环境，类似于内部的全球定位系统和保存位置记忆。正是发现了大脑的内置GPS，美国科学家John O'Keefe，挪威科学家May-Britt Moser，以及挪威科学家Edvand I. Moser三人获得2014年诺贝尔生理学或医学奖【⏬】。

图1 2014年诺贝尔生理学或医学奖获得者

图源：诺贝尔奖官网

基于该项研究，来自英国伦敦大学学院沃尔夫森生物医学研究所的MICHAEL HÄUSSER【⏬】研究团队利用激光束开启了小鼠大脑中神经元的表达。为阐明大脑记忆背后的工作原理提供新的思路，也揭开了记忆力支持大脑内在GPS系统的分子机制。

这项成果近期以“Targeted Activation of Hippocampal Place Cells Drives Memory-Guided Spatial Behavior” 为题发表在Cell。

研究人员相信，这一研究成果最终有助于设计新的疗法来治疗那些影响记忆的疾病，例如：阿尔茨海默病和痴呆症。

MICHAEL HÄUSSER说“这项研究改变了脑神经学的游戏规则，因为它表明我们可以使用光学方式读写特定神经元中的活动来操纵记忆，从而使我们能够更好地理神经回路活动是如何帮助我们做出决定的。”

该项研究结合了两种极其强大的光基方法，可以利用光来读写大脑中的电活动。

第一种是光敏蛋白。它可以在基因层面上添加到小鼠体内，点缀在神经元的外层，像运动感应灯，只有在细胞活跃时才照亮细胞。由于GPS细胞在鼠标运行到不同的虚拟位置时激活，因此科学家可以识别这些细胞。

第二种是光遗传学。一组不同的光敏蛋白嵌入到相同的神经元中，这些家伙充当灯开关，而不是灯泡。当用不同频率的激光敲击时，科学家能够打开和关闭这些开关。

该研究利用了一种虚拟现实装置（如图2），老鼠在一个轮子上奔跑，头部保持稳定。就像虚拟现实游戏中的人类一样，他们的大脑处理虚拟环境——一条有房子、街区和其他视觉线索的单一路径，就像现实世界中的道路。

图2 头部固定虚拟现实装置和显微镜设计示意图

图源：2020, Cell 183, 1–14 Fig. 1a

研究小组首先训练老鼠识别虚拟路径上的目标区域位置，同时监测它们的活动GPS细胞。在那里，老鼠学会了舔三次传感器，以获得糖水奖（图3）。

图3 实验小鼠被刺激之前和之后的行为

图源：Brain Post

这基本上把虚拟目标区的活动GPS神经元与甜蜜记忆联系在一起。如果GPS细胞负责将记忆固定在大脑中，那么不管鼠标在虚拟空间的实际位置在哪里，人工激活这些细胞都应该重新激活记忆，并使其在预期中舔传感器。

这的确发生了，但研究小组并没有同时用激光引爆所有带标签的GPS神经元，而是根据它们的正常序列，在人为地重新激活了它们。这类似于把神经元的“钢琴键”演奏成对大脑有意义的旋律，而不是同时将它们敲入神经系统的杂音。它就像一个魔咒，即使当老鼠不在它的虚拟目标区域，一旦科学家人工激活编码目标区域的GPS神经元，老鼠就开始舔传感器。

从本质上讲，这个团队能够在头脑中把老鼠运到它值得奖励的地方，而不管它所感知到的现实。在某种程度上，研究小组人为地切断了老鼠对糖水的记忆与之前的真实位置，而是通过巧妙的光照黑客攻击大脑，将其重新映射到一个新的地方。

第一作者、也是通讯作者的尼克·罗宾逊博士说：“简单来讲，位置细胞确实能告诉老鼠目标位置在哪里，而老鼠小鼠会“听”位置细胞的意见。我们很高兴能够为海马部位细胞的功能作用提供这一直接证据，并能够利用这一强有力的技术组合来进一步探索支持情景记忆的海马体的一般编码原则。”（图4）