Впервые группа нейробиологов из Колумбийского университета контролировала зрительное поведение мыши, активируя несколько нейронов в ее зрительной коре.
В своем исследовании, опубликованном в журнале Cell, исследователи продемонстрировали, что определенные группы нейронов, известные как ансамбли нейронов, играют причинную роль в поведении. Исследователи использовали новые оптические и аналитические инструменты для идентификации кортикальных ансамблей у мышей, когда они выполняли визуальную задачу. Они также использовали оптогенетику высокого разрешения для одновременного нацеливания на выбранные нейроны с точностью до одной клетки, взяв под контроль поведение мышей. В то время как точная активация нейронов, связанных с заданием, улучшала поведение животного, активация других нейронов, не связанных с заданием, ухудшала поведение.
"Это самая захватывающая работа, выполненная в моей лаборатории за последние десятилетия, поскольку мы доказываем, что ансамбли коры головного мозга играют ключевую роль в поведении и что мы можем играть с ними на пианино и по своему желанию изменять поведение животных. ", - сказал Рафаэль Юсте, старший автор исследования и профессор биологических наук Колумбийского университета. «Кроме того, данные указывают на то, что ансамбли нейронов являются внутренним представлением зрительного стимула», - добавил Юсте, который также является членом Института науки о данных в Колумбии.
Исследование может иметь важное применение в медицине. Идентификация физиологически значимых ансамблей нейронов с точностью до одной клетки может быть использована для реорганизации паттернов активности между целевыми нейронами и для перепрограммирования неисправных нейронных цепей. И реорганизация этих нейронных паттернов может лечить патологические состояния, вызванные аномальными паттернами активности при психических и неврологических заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона или шизофрения, сказал Луис Каррильо-Рейд, бывший исследователь в лаборатории Юсте и ведущий автор статьи., «Управление поведением под визуальным контролем с помощью голографического воспроизведения корковых ансамблей».
«Мы все еще далеки от того, чтобы использовать эти методы для лечения пациентов, - сказал Каррильо-Рейд, - но это исследование может представлять собой дорожную карту к точному перепрограммированию мозга, приближая нейронауку к клинике».
Работая в лаборатории Юсте, исследователи использовали двухфотонную кальциевую визуализацию нейронных цепей и двухфотонную оптогенетику, методы, первоначально разработанные группой Юсте для оптического чтения и записи активности нейронов. С помощью визуализации кальция можно отследить, какие нейроны возбуждаются в нейронной цепи, тогда как с помощью оптогенетики можно активировать нейроны по желанию. Более того, использование двухфотонных лазеров позволило команде провести визуализацию кальция и оптогенетику с точностью до одной клетки в мозгу животных, бегающих по беговым дорожкам.
Исследователи вводили мышам вирусы, что позволяло им наблюдать за паттернами активности нейронов в их мозгу. Они также могли точно манипулировать активностью своих нейронов с помощью света. Затем они прикрепили мышей к двухфотонному микроскопу и наблюдали за ними, пока они бегали по маленьким беговым дорожкам. В течение двух недель исследователи обучали мышей ассоциировать визуальный стимул - дрейфующие вертикальные полосы, представленные им на видеоэкране, - с водой, чтобы всякий раз, когда вертикальные полосы появлялись, они лизали носик воды. После того, как мыши научились ассоциировать визуальный стимул с облизыванием, исследователи определили группу нейронов у мышей, которые реагировали на вертикальные полосы, и повторно активировали эти нейроны с помощью двухфотонного лазера. Эта реактивация помогла мышам правильно лизнуть больше раз, чем ожидалось, и даже вызвала лизание в отсутствие каких-либо визуальных стимулов, как если бы мыши видели вертикальные полосы как галлюцинации. Исследователи даже вызывали поведение облизывания, стимулируя только два нейрона, если они были определенной группой нейронов, связанных с поведением.
Электрическая стимуляция различных областей мозга десятилетиями использовалась для облегчения симптомов двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, а в последнее время - для лечения психоневрологических расстройств, таких как депрессия. Этот метод, известный как глубокая стимуляция мозга, используется для помощи десяткам тысяч пациентов каждый год. Однако этот метод включает в себя манипулирование большим объемом нейронов, пространственное расположение и идентичность которых неизвестны. В этом исследовании исследователи продемонстрировали доказательство того, что идентификация и воздействие на очень специфические нейроны могут изменить поведение, открывая путь к использованию этой техники для решения проблем, связанных с заболеваниями головного мозга», - сказал Каррильо-Рейд, который в настоящее время руководит лабораторией. в Национальном автономном университете Мексики.
«Кроме того, тот факт, что можно вытеснить сенсорный стимул, активировав несколько нейронов, указывает на то, что мы, возможно, начинаем приближаться к пониманию того, что такое восприятие или что такое мысль», - сказал Юсте. «И это может стать важным шагом вперед в понимании того, как работает наш разум».