光遺傳學 神經科學

人造幻覺?在沒有感覺輸入的狀態下產生感知

大腦識別和解釋外部刺激後,執行適當行為的方式在很大程度上仍然是未知的。 例如,已知在遵循某些視覺刺激之後,視覺皮質中神經元的不同叢集 (neuronal ensemble) 被激發,但是該活動是否是初始神經程序驅動行為一直難以測試。因此,來自哥倫比亞大學的神經科學團隊利用新的光學分析工具來識別小鼠的皮質神經元叢集,同時進行視覺任務。研究人員透過高分辨率的光遺傳學工具以單細胞精確度同時靶向選定的神經元,來控制小鼠的行為。雖然精確激發與任務相關的神經元改善了動物的行為表現,但是激發與任務無關的其他神經元卻降低了其行為表現,該研究發表於近期的頂尖科學期刊 Cell [1]

大腦的緊急功能區塊由皮質神經元組成,通常以組為單位被共同激發而非單一獨立,此現象稱為神經元叢集 ,其建構了包括記憶、思想、運動、計算、感知與心理狀態的區塊。過去的研究使用雙光子鈣成像 (two-photon calcium imaging),可以在幾百毫秒的時間內,觀察到小鼠視覺皮質中的神經元叢集。這些叢集由視覺刺激激發,但也存在著自發活動,表明它們可以通過皮質迴路儲存和重放。本篇論文的研究團隊於2016年發表在Science上的論文指出 [2],在清醒的小鼠中使用雙光子光遺傳學 (two-photon optogenetics),共同激發一組神經元可以產生穩定印記 (imprint) 的人工叢集。這樣的印記叢集也可以通過刺激個體神經元重新激發整體神經元,顯示了模式完成 (pattern completion) 的能力。然而,尚不清楚此皮質叢集是否會影響到行為表現。為了解開這個問題,團隊結合了結合了神經元群體的鈣成像、雙光子顯微鏡和群體分析來識別來自清醒小鼠的初級視覺皮質中的神經元叢集 [3],並執行視覺引導的 Go / No-Go 行為任務。

研究人員給小鼠注射病毒,這使他們能夠觀察到大腦中的神經元活動模式也能準確的用光來操縱它們的神經元的活動。接下來,他們將小鼠連接到雙光子顯微鏡上,並於小鼠在小跑步機上跑步時觀察它們。兩個星期的時間,研究人員訓練小鼠將視覺刺激(在螢幕上呈現的垂直條漂移)與舔水行為相關聯,這樣每當垂直條出現時它們會有舔水行為 (Figure 1)。在小鼠學會將視覺刺激與舔水相關聯之後,研究人員確定了小鼠中對垂直條有反應的神經元組,並使用雙光子雷射重新激發了這些神經元。這種再激發使小鼠的正常舔水次數超過預期,甚至在沒有任何視覺刺激的情況下誘發了舔水行為,就像是小鼠看到垂直條形為幻覺。研究人員甚至可以通過僅刺激兩個與舔水行為相關的特定神經元組來觸發舔水行為。

Figure 1. 在視覺引導的 Go / No-Go 任務中同時進行雙光子鈣成像和雙光子全息光學操控靶向神經元。(DOI: 10.1016/j.cell.2019.05.045)

醫學上使用電刺激大腦的不同區域來改善運動障礙的症狀(例如帕金森氏症)已有幾十年的歷史,近期更把目標放在精神疾病患者上(例如憂鬱症)。 這種被稱為深層腦刺激 (deep brain stimulation) 的技術每年用於幫助數萬名患者。 然而,該技術涉及操縱大量神經元,其空間位置和種類未知。 在這項研究中,研究人員展示了原理的證據,即識別和靶向非常特殊的神經元可以改變行為,開闢了使用這種技術來幫助糾正腦部疾病問題的途徑。此外,通過激發一些神經元可以取代感官刺激的事實表明我們可能更接近理解什麼是感知,或者什麼是思想,這可能是幫助我們了解思想是如何運作的關鍵。

在沒有視覺刺激的情況下,兩個模式完成神經元的光遺傳激發可以觸發行為相關的系集和正確的行為反應。  圖片來源:10.1016/j.cell.2019.05.045

參考文獻:

  1. L. Carrillo-Reid, S. Han, W. Yang, A. Akrouh, R. Yuste, Controlling Visually Guided Behavior by Holographic Recalling of Cortical Ensembles. Cell 178, 447-457 e445 (2019).
  2. L. Carrillo-Reid, W. Yang, Y. Bando, D. S. Peterka, R. Yuste, Imprinting and recalling cortical ensembles. Science 353, 691-694 (2016).
  3. A. M. Packer, L. E. Russell, H. W. Dalgleish, M. Hausser, Simultaneous all-optical manipulation and recording of neural circuit activity with cellular resolution in vivo. Nat Methods 12, 140-146 (2015).

撰稿 | 洪維謙
審稿 | 林書岑

About the author

洪 維謙

洪 維謙

國立陽明大學腦科學研究所,過去在中央研究院研究遺傳緩衝效應。對於政治、社科、經濟等領域也稍有涉略,希望藉由investigator提升科學在台灣社會的能見度。

Leave a Comment