神经科学家使用激光束对大脑的GPS重新编程

伦敦大学学院（UCL）的神经科学家已经使用激光束“打开”小鼠中的神经元，从而提供了对记忆的隐藏工作的新见解，并展示了记忆如何支撑大脑内部GPS系统。

该研究发表在细胞杂志上，解释了研究人员在虚拟现实环境中导航时，如何利用双激光器利用全光学方法同时读取和写入小鼠中位置细胞（一种神经元）的活动。

值得注意的是，通过刺激位置细胞，科学家们能够重新激活（或恢复）小鼠获得奖励的位置的记忆，从而“精神上传送”小鼠，使它们像被奖励一样行事。地方。

这项新的研究基于约翰·奥基夫教授（UCL细胞与发育生物学）的开创性工作，他因发现位置细胞而于2014年获得了诺贝尔奖。这些细胞位于称为海马的大脑区域，仅当动物进入环境中的特定位置时才活跃。

人们认为位置细胞可以代表环境的认知地图（例如内部GPS）并保留位置记忆。这项最新的UCL研究首次直接显示出位置细胞活动是大脑导航能力的基础。

研究结果使人们对记忆的存储方式有了更深入的了解，UCL科学家相信，这些发现最终可以帮助我们开发出影响痴呆症和痴呆症和阿尔茨海默氏病等疾病的新疗法。

第一作者尼克·罗宾逊（Nick Robinson）博士（加州大学洛杉矶分校沃尔夫森生物医学研究所）说：这些结果提供了直接的因果证据，表明小鼠使用了以位置细胞活性为代表的信息来指导其行为。换句话说，位置单元格确实可以告诉鼠标它在哪里，而鼠标在做出决定时实际上是在“听”它们的位置单元格。这提供了关于记忆如何在大脑中存储的新见解，以及用于操纵这些记忆以影响行为的新工具。

他加了：“记忆障碍（例如痴呆症和阿尔茨海默氏症）对社会造成了巨大的损失。这项工作最终可能会导致对这些疾病的更好理解，以及治疗干预的新目标。”

UCL沃尔夫森生物医学研究所的资深作者Michael Hausser教授说：“这项研究改变了游戏规则，因为它表明我们可以使用光学方式读写特定神经元中的活动来操纵记忆，从而使我们能够更好地理解并可能改善神经回路活动如何帮助我们做出决定。”

实验研究解释

UCL沃尔夫森生物医学研究所的研究人员利用了一种强大的方法，该方法结合了两种革命性的技术，可以利用光来读取和写入大脑中的电活动。

首先，他们设计了神经元来表达遗传编码的钙传感器，该传感器可以使细胞在活跃时发光。其次，他们在同一神经元中表达光敏感的“光遗传学”蛋白，从而使它们能够利用激光束激活特定的细胞，这些激光束使用数字全息术（与激光表演所使用的技术相同）进行靶向。

通过结合这两种技术，该团队可以在虚拟现实中导航的老鼠的大脑中相同神经元中记录和操纵活动。

UCL科学家使用这种方法对导航到虚拟世界中特定位置的小鼠海马中的位置细胞进行靶向激活，以收集糖水奖励。他们首先用光学方法记录了大量海马体细胞的活动，确定那些在奖励位置上特别活跃的细胞，因此可以构成该位置记忆的基础。然后，他们使用全息瞄准的激光束在虚拟世界中的其他位置激活这些特定的位置单元。

值得注意的是，位置细胞刺激足以恢复奖励位置的记忆，从而导致鼠标在新位置寻求奖励。换句话说，光对神经元的刺激会“精神上传送”给动物，使它们像在受奖励的地方一样行动。这是活化细胞如何使我们能够检索环境记忆并帮助我们导航的第一个演示。

参考：Nick T.M.“海马位置细胞的靶向激活驱动了记忆指导的空间行为”。鲁滨逊（Lucie A.L.）Descamps，Lloyd E.Russell，Moritz O.Buchholz，Brendan A.Bicknell，Georgy K.Antonov，Joanna Y.N.刘，丽贝卡·努特布朗（Rebecca Nutbrown），克里斯托夫·施密特·希伯（Christoph Schmidt-Hieber）和迈克尔·豪瑟（MichaelHäserser），2020年11月6日，Cell.DOI：
10.1016 / j.cell.2020.09.061

这项研究的资金由惠康，盖茨比慈善基金会，欧洲委员会，欧洲分子生物学组织，医学研究理事会和欧洲研究理事会提供。