老馬識途?使用激光對大腦“傳送”
2020年12月01日07:05

原標題:老馬識途?使用激光對大腦“傳送”

原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#光遺傳學3個

招募撰稿人/主筆

撰稿 | Olivia(新加坡國立大學 博士生)

我們如何從一個地方去到另一個地方?打開地圖,設置導航?No No No,正確的打開方式是啟動大腦內置的“GPS系統”,找到去目的地的最短路徑。

圖源:諾貝爾獎官網

這時,你的大腦會先搜索出目的地的海馬位置細胞,並啟動它,隨後另外一種能夠產生坐標體系的網格細胞開始工作,進行精確定位與路徑搜尋,並找到最短路徑到達目的地。內嗅皮層區域的網格細胞與位於海馬體內的位置細胞相互協調,構成一條完整的回路。

這一回路系統構成了一個複雜而精細的定位體系,它是我們大腦的“內置GPS”系統,當該系統受損嚴重後,出門了可能就回不來了,典型的案例就是阿爾茨海默病(老年癡呆症)。

圖源:中國科學院長春光機所,Light學術出版中心,新媒體工作組

位置細胞被認為是一個認知地圖的環境,類似於內部的全球定位系統和保存位置記憶。正是發現了大腦的內置GPS,美國科學家John O'Keefe,挪威科學家May-Britt Moser,以及挪威科學家Edvand I. Moser三人獲得2014年諾貝爾生理學或醫學獎【⏬】。

圖1 2014年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者

圖源:諾貝爾獎官網

基於該項研究,來自英國倫敦大學學院沃爾夫森生物醫學研究所的MICHAEL HÄUSSER【⏬】研究團隊利用激光束開啟了小鼠大腦中神經元的表達。為闡明大腦記憶背後的工作原理提供新的思路,也揭開了記憶力支援大腦內在GPS系統的分子機製。

這項成果近期以“Targeted Activation of Hippocampal Place Cells Drives Memory-Guided Spatial Behavior” 為題發表在Cell。

研究人員相信,這一研究成果最終有助於設計新的療法來治療那些影響記憶的疾病,例如:阿爾茨海默病和癡呆症。

MICHAEL HÄUSSER說“這項研究改變了腦神經學的遊戲規則,因為它表明我們可以使用光學方式讀寫特定神經元中的活動來操縱記憶,從而使我們能夠更好地理神經回路活動是如何幫助我們做出決定的。”

該項研究結合了兩種極其強大的光基方法,可以利用光來讀寫大腦中的電活動。

第一種是光敏蛋白。它可以在基因層面上添加到小鼠體內,點綴在神經元的外層,像運動感應燈,只有在細胞活躍時才照亮細胞。由於GPS細胞在滑鼠運行到不同的虛擬位置時激活,因此科學家可以識別這些細胞。

第二種是光遺傳學。一組不同的光敏蛋白嵌入到相同的神經元中,這些傢伙充當燈開關,而不是燈泡。當用不同頻率的激光敲擊時,科學家能夠打開和關閉這些開關。

該研究利用了一種虛擬現實裝置(如圖2),老鼠在一個輪子上奔跑,頭部保持穩定。就像虛擬現實遊戲中的人類一樣,他們的大腦處理虛擬環境——一條有房子、街區和其他視覺線索的單一路徑,就像現實世界中的道路。

圖2 頭部固定虛擬現實裝置和顯微鏡設計示意圖

圖源:2020, Cell 183, 1–14 Fig. 1a

研究小組首先訓練老鼠識別虛擬路徑上的目標區域位置,同時監測它們的活動GPS細胞。在那裡,老鼠學會了舔三次傳感器,以獲得糖水獎(圖3)。

圖3 實驗小鼠被刺激之前和之後的行為

圖源:Brain Post

這基本上把虛擬目標區的活動GPS神經元與甜蜜記憶聯繫在一起。如果GPS細胞負責將記憶固定在大腦中,那麼不管滑鼠在虛擬空間的實際位置在哪裡,人工激活這些細胞都應該重新激活記憶,並使其在預期中舔傳感器。

這的確發生了,但研究小組並沒有同時用激光引爆所有帶標籤的GPS神經元,而是根據它們的正常序列,在人為地重新激活了它們。這類似於把神經元的“鋼琴鍵”演奏成對大腦有意義的旋律,而不是同時將它們敲入神經系統的雜音。它就像一個魔咒,即使當老鼠不在它的虛擬目標區域,一旦科學家人工激活編碼目標區域的GPS神經元,老鼠就開始舔傳感器。

從本質上講,這個團隊能夠在頭腦中把老鼠運到它值得獎勵的地方,而不管它所感知到的現實。在某種程度上,研究小組人為地切斷了老鼠對糖水的記憶與之前的真實位置,而是通過巧妙的光照駭客攻擊大腦,將其重新映射到一個新的地方。

第一作者、也是通訊作者的尼克·羅賓遜博士說:“簡單來講,位置細胞確實能告訴老鼠目標位置在哪裡,而老鼠小鼠會“聽”位置細胞的意見。我們很高興能夠為海馬部位細胞的功能作用提供這一直接證據,並能夠利用這一強有力的技術組合來進一步探索支援情景記憶的海馬體的一般編碼原則。”(圖4)

圖4 第一作者和通訊作者 尼克·羅賓遜博士

圖源:Brain Post

事實上,這些定位細胞在一定程度上具有對環境的印記特徵。當人為操縱這一特徵時,雖然可以增強環境位置記憶,促進空間相關行為,但由於單個位置細胞與其他位置細胞之間存在“血肉聯繫”,容易造成群體效應,損害空間認知能力。

因此,要提高阿爾茨海默病等認知障礙患者的空間記憶能力,就必須打破這一群體效應,否則很難實現臨床轉化!

另外,雖然這項研究是第一個將位置細胞與大腦的記憶和決策聯繫起來的第一項研究。

但還有很多是我們還不知道的,大腦的電子編碼策略到底是什麼?位置細胞是如何連接到記憶存儲部分的?隨著我們腦-機接口的爆炸式發展,我們最終能否會因為接收到強大的外部輸入,而扭曲我們的現實?這都需要科學家未來的探索。

文章信息

Robinson et al., 2020, Cell 183, 1–14

論文地址

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.061

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