再次證實(shí)了光遺傳學(xué)的巨大應(yīng)用價值

科學(xué)在走近未知的邊界時，總會帶有一些哲學(xué)的味道。今天在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志上的一篇論文，就很好地向我們詮釋了這一點(diǎn)。來自斯坦福大學(xué)(Stanford University)的科研團(tuán)隊找到了一種刺激小鼠大腦、模擬視覺感知的方法。他們指出，只需要簡單激活20個神經(jīng)元，小鼠就會“看到”不存在的東西，并改變自己的行為!

要知道，小鼠大腦里的神經(jīng)元高達(dá)數(shù)百萬個。如果只激活其中20個就能讓小鼠出現(xiàn)幻覺，那我們怎么知道所見的世界是真實(shí)存在的現(xiàn)實(shí)，還是神經(jīng)元意外激活帶來的虛幻?這個問題細(xì)思恐極。

本研究的負(fù)責(zé)人是“光遺傳學(xué)”的先驅(qū)之一Karl Deisseroth教授。昨日，他剛剛由于在這一領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，斬獲了2019年的沃倫·阿爾珀特獎。今日刊登在頂尖學(xué)術(shù)期刊上的這篇重量級研究，再次證實(shí)了光遺傳學(xué)的巨大應(yīng)用價值。

先來說說光遺傳學(xué)。它的原理其實(shí)很簡單——神經(jīng)活動源自神經(jīng)元的活躍，而光遺傳學(xué)則是利用基因改造的方法，給神經(jīng)元裝上了“開關(guān)”。利用特殊波長的光，我們能夠操縱特定神經(jīng)元的開啟和關(guān)閉，從而控制神經(jīng)活動。作為神經(jīng)生物學(xué)家的重要研究工具，它讓我們得以了解動物行為背后的生物學(xué)機(jī)理。

為了研究小鼠的視覺感知會如何影響行為，研究人員們首先在小鼠視覺皮層的大量神經(jīng)元里引入了一種綠色熒光蛋白。一旦神經(jīng)元被激活，它就會發(fā)出綠色熒光。隨后，他們讓小鼠觀看兩種不同的條紋圖案，一種是水平方向，一種是垂直方向。由于這兩種圖案并不相同，因此小鼠視覺皮層里被激活的神經(jīng)元也有著區(qū)別。根據(jù)大腦里發(fā)出的綠色熒光，研究人員們找到了分別只會對“橫條紋”和“豎條紋”作出反應(yīng)的神經(jīng)元。

在視覺皮層內(nèi)，這支團(tuán)隊還引入了光遺傳學(xué)的“開關(guān)”。理論上講，如果針對上文中找到的這些神經(jīng)元進(jìn)行刺激，小鼠就會出現(xiàn)看到相應(yīng)圖案的神經(jīng)活動。也就是說，即便它們沒有真的看到這些條紋圖案，也會產(chǎn)生看到圖案的幻覺。

這一猜測得到了實(shí)驗的證實(shí)!

在這項精心設(shè)計的實(shí)驗中，科學(xué)家們訓(xùn)練小鼠對不同的圖案作出不同的反應(yīng)——當(dāng)它們看到豎條紋時，就會去喝水;而看到橫條條紋，或是什么都沒有看到時，則不會有喝水的動作。

之后，科學(xué)家們逐漸降低了圖案的對比度，讓它們看起來不是那么清晰。果不其然，小鼠的識別能力出現(xiàn)了下降，根據(jù)圖案作出正確行為的比例也有所下滑。有趣的是，如果在看到低對比度的豎條紋時，再同時刺激那些相應(yīng)的神經(jīng)元，就可以增強(qiáng)小鼠的喝水行為。

換句話說，就算實(shí)際上沒看清，對神經(jīng)元的刺激也會讓小鼠感覺自己“看清”了條紋。

更令人驚訝的是，當(dāng)這些小鼠已經(jīng)能夠純熟地根據(jù)橫條紋或豎條紋作出喝水的動作之后，即便是身處伸手不見五指的黑暗之中，僅僅通過刺激“豎條紋神經(jīng)元”，就足以讓它們產(chǎn)生幻覺，隨即去喝水。相反，如果刺激的是“橫條紋神經(jīng)元”，小鼠就不會作出這樣的反應(yīng)。

“這些小鼠不僅做了(和看到實(shí)際圖案)同樣的事情，它們的大腦也有同樣的反應(yīng)，” Deisseroth教授說道：“所以我們知道，這要么重新創(chuàng)造了小鼠的自然感知，要么是創(chuàng)造了與自然感知很接近的東西。”

研究人員們指出，只需大約20個神經(jīng)元，就足以讓小鼠“腦補(bǔ)”出畫面，這一數(shù)字之少，令人驚訝。過去，我們常常以為出現(xiàn)幻覺是一種很罕見的現(xiàn)象。而這一研究則表明，從神經(jīng)學(xué)機(jī)理上看，出現(xiàn)幻覺所需的神經(jīng)元并不多。“如果只需要20個神經(jīng)元就能創(chuàng)造出感知，那為何我們沒有整天都出現(xiàn)幻覺?”Deisseroth教授補(bǔ)充道。在他看來，這或許是由于哺乳動物的皮層同時具有高度的靈敏性和特異性。一方面，它能對于極少的神經(jīng)元作出反應(yīng);另一方面，它不容易受信號噪音的影響，因此不容易被干擾。

綜合來看，這項研究指出在小鼠腦中，僅需激活少量神經(jīng)元，就可以讓其作出相應(yīng)的反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)在人類中是否可以重現(xiàn)，還值得進(jìn)一步的探究。如果可以，那么我們將更好地了解與幻覺相關(guān)的精神疾病背后的機(jī)理。