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刺激神经元,让小鼠大脑产生幻觉

时间: 2019年07月25日 | 作者: Karen Weintraub | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
斯坦福大学的科学家用光信号激活了小鼠的一部分脑细胞,使它们产生了视幻觉。只需刺激其部分神经元,小鼠就好像感知到了某些不存在的东西。


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通过光操纵的神经元(图片来源:Dr. Chris Henstridge/Science Photo Library)


撰文 | 凯伦·温特劳布(Karen Weintraub)

翻译 | 何雨珊

审校 | 杨心舟



在小鼠观察到图像并将信息传输进大脑时,只有极少数的细胞参与了这一过程。“在这种情况下,为什么我们不会时刻产生视幻觉呢?”这项研究的通讯作者卡尔·德瑟罗斯提出了这一问题。


目前,科学家还不清楚健康的大脑是如何避免产生幻觉的,但是“作为一名精神病学家,幻觉会让我联想到精神疾病中很多非本人意愿的怪异行为,”德瑟罗斯提到了精神分裂症和其他疾病,他希望从幻觉入手,对这些疾病进行更深层次的研究。


最近发表在《科学》上的研究中,德瑟罗斯训练了小鼠的视觉与感知过程,同时记录了此时大脑活动相关的神经元。之后只要去刺激这部分的神经元,小鼠就会产生“幻觉”,仿佛看见了训练时看到的图像一样。 


伦敦大学学院神经科学教授迈克尔·H·乌瑟表示,这项新的工作将帮助科学家“了解大脑皮层中的神经回路是如何让我们感知世界的”,他本月在《细胞》上发表了一项类似的研究。


在德瑟罗斯的实验中,研究人员让小鼠观察白色背景上垂直和水平的黑条来接受简单的视觉刺激,并训练它们看到垂直条带时舔管子喝水。德瑟罗斯记录了小鼠在该过程中视觉皮层的神经活动,即使不给出图像,只要用光遗传学技术刺激相同的区域的神经元,小鼠对不存在事物也会产生感知。那些没有直接被刺激的神经元,也会产生看到图像时的类似活动。


接着,研究人员逐渐降低了图像的对比度,直到小鼠难以分辨出垂直条带和水平条带。但当研究人员刺激那些对垂直条带作出反应的神经元时,老鼠能够更好地在模糊图像中正确分辨出垂直条带。


德瑟罗斯中的新方法将有助于理解信息是如何在大脑回路中存储和展示的。乌瑟最近进行了类似的研究,“如果我们通过这些方法能够弄清楚大脑是如何控制感知的,那么我们就可以真正地模拟出感觉,”他说,“只要做到这一点就可以制造假肢,帮助大脑感知世界。”


在过去的十几年中,德瑟罗斯将光遗传学技术带进了神经学研究领域,研究人员通过基因工程设计,就可以控制不同类型的神经元在受到光刺激时开启或关闭。早在2012年,德瑟罗斯和他的同事们就发现可以用该方法激活一个小鼠脑细胞,接着,他们依次对一组细胞进行了刺激。


在最近的论文中,德瑟罗斯和他的团队展示了一种控制脑细胞活动的新方法。他们测试了多种天然蛋白质后,发现了一种蛋白质和光遗传蛋白质功能上互补,且不会互相干扰,这意味着两者可以同时起作用,这就使研究人员能够同时刺激并使神经元成像。


研究小组还证明,这种新的方法可以让我们进一步了解大脑如何感知感觉信息,麻省理工学院的神经科学教授伊甘卡·苏尔说道,“在干预一些神经元的情况下,我们就可以理解,影响或恢复感知,”不过他并没有参与这项研究。


乌瑟指出,目前尚不清楚人类大脑的其他感知能力,比如嗅觉、听觉和触觉是否也有同样的反应,他说,“也许听觉皮层的情况是截然不同的,我们还不得而知。”


但德瑟罗斯说,他曾获得的一些线索表明,人类大脑功能与小鼠是相似的。他曾经接触过一位患有视觉释放性幻觉的脑部疾病患者,这种疾病一般发生在成年失明时,患者会自发形成良好的视觉幻觉。德瑟罗斯说,抗精神病药物通常解决不了这种疾病,但是一种抑制某些脑细胞活动的癫痫药物对患者产生了作用。这一观察结果与他在小鼠大脑中看到的情况相符,即某些细胞的活动使其产生了幻觉。


接下来,德瑟罗斯计划观察他所刺激小鼠细胞的其他特征,包括它们产生的蛋白质,以及细胞之间的连接状况。下一步,他还将追踪细胞之间传递的信号,来弄清楚这些信息在大脑中传递的过程,从而进一步描绘哺乳动物大脑的运作情况。


原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/how-to-make-a-mouse-hallucinate/