来自哥伦比亚大学的神经科学家团队首次通过激活其视觉皮层中的一些神经元来控制小鼠的视觉行为。

在他们发表在Cell上的研究中，研究人员证明了特定的神经元群体，即神经元集合，在行为中具有因果作用。研究人员使用新的光学和分析工具来识别小鼠皮质组合，同时进行视觉任务。他们还使用高分辨率光遗传学以单细胞精确度同时靶向选定的神经元，控制小鼠的行为。虽然与任务相关的神经元的精确激活改善了动物的表现，但是与任务无关的其他神经元的激活降低了行为。

这是几十年来我实验室最激动人心的工作，因为我们证明皮质组合是行为的关键，我们可以随身携带钢琴并随意改变动物的行为表现。“

Rafael Yuste，该研究的高级作者和哥伦比亚大学生物科学教授

“此外，数据表明，神经元集合是视觉刺激的内部表征，”Yuste补充说，他也是哥伦比亚数据科学研究所的成员。

该研究可能在医学上有重要的应用。以单细胞精确度识别生理学相关的神经元集合可用于重新组织靶神经元之间的活动模式并重新编程错误的神经回路。Yuste实验室的前研究员，该论文的第一作者Luis Carrillo-Reid表示，重组这些神经元模式有可能治疗由阿尔茨海默氏症，帕金森病或精神分裂症等精神和神经疾病中的异常活动模式引起的病理状况。 ，“通过全息回忆皮层集合来控制视觉引导行为。”

“我们仍远未将这些方法用作患者的治疗方法，”Carrillo-Reid说，“但这项研究可能代表了精确重新编程大脑的路线图，使神经科学更接近诊所。”

在Yuste实验室工作，研究人员使用了神经回路的双光子钙成像和双光子光遗传学，这是Yuste小组最初开发的用于光学读写神经元活动的方法。使用钙成像，人们可以跟踪哪些神经元在神经回路中发射，而使用光遗传学，可以随意激活神经元。此外，使用双光子激光器，团队可以在跑步机上运行动物的大脑，以单细胞精度执行钙成像和光遗传学。

几十年来，人们已经使用电刺激大脑的不同区域来改善运动障碍的症状，例如帕金森症，并且最近将神经精神疾病视为抑郁症。这种被称为深部脑刺激的技术每年用于帮助数万名患者。然而，该技术涉及操纵大量神经元，其空间位置和身份未知。

在这项研究中，研究人员展示了原理的证据，即识别和靶向非常特殊的神经元可以改变行为，开辟了使用这种技术来帮助纠正脑部疾病问题的途径，“Carrillo-Reid说，他现在指导实验室在墨西哥国立自治大学。

研究人员给老鼠注射了病毒，这使他们能够观察到大脑中的神经元活动模式。他们还能够用光精确地操纵他们的神经元的活动。接下来，他们将小鼠连接到双光子显微镜上，并在小跑步机上跑步时观察它们。两个星期以来，研究人员训练小鼠将视觉刺激 - 在视频屏幕上呈现的垂直条漂移 - 与水相关联，这样每当垂直条出现时它们会舔水嘴。

在小鼠学会将视觉刺激与舔舔相关联之后，研究人员确定了小鼠中对垂直条有反应的神经元组，并使用双光子激光重新激活了这些神经元。这种再激活有助于小鼠正常舔舔次数超过预期，甚至在没有任何视觉刺激的情况下诱发舔，就好像小鼠看到垂直条形为幻觉。研究人员甚至通过仅刺激两个神经元来触发舔行为，只要它们是与行为相关的特定神经元组。

“此外，通过激活一些神经元可以取代感官刺激的事实表明我们可能开始更接近理解感知是什么，或者是什么是思想，”尤斯特说。“这可能是了解我们的思想如何运作的重要一步。”