1979年,诺贝尔奖获得者弗朗西斯·克里克Francis Crick 想到了如何找到一种方法来控制一种类型的脑细胞,同时保持其他人不受影响。二十年后,看到电生理学的所有缺点(靶向细胞的精确度低)和药理学操作(与真正的神经传递相比太慢),他更进一步,并建议光可能是我们一直在寻找的答案。像灯泡一样打开和关闭神经元的想法听起来既疯狂又吸引人,但没有人知道如何接近它。事情还需要六年才能实现。光遗传学正在进行中。

由Karl Deisseroth及其同事开创,这种方法像野火一样在神经科学世界中传播,并且有充分的理由:它提供了前所未有的时间和细胞精确度,使我们能够实时控制大脑活动。顾名思义,遗传和光学技术在那里发挥作用。基因技术用于使特定细胞对光敏感,即,当光落在它们上时激活(或关闭),并且光学方法(即激光)用于随后操纵这些细胞。

以下是它的简短版本:首先,科学家们采用一种基因负责从荧光池藻中产生光敏蛋白。他们还确保该基因仅在感兴趣的特定细胞中表达(例如,仅表达多巴胺能神经元)。然后将该生化混合物插入作为递送服务的病毒中。反过来,病毒被注射到啮齿动物的大脑中,光纤电缆直接放在目标细胞上。

几个星期之后它就是你的全部 – 你可以用激光控制别人的大脑。几乎就像你童年的幻想一样。

光遗传学
关于光学工作原理的简短摘要。的BlogSpot

这意味着很多:我们可以操纵特定的离子通道或分泌特定神经递质的细胞,我们可以深入大脑并可逆地激活特定的神经元子集,我们可以在大脑的实际工作速度下进行操作,我们可以建立以前单独相关的现象之间的因果关系。真的,这是很多。尽管它是一个相当年轻的领域,但已经对光遗传学进行了大量的研究(并且它在字面上和形象上都是令人兴奋的)。

操纵记忆

在媒体中引起最大争议的光遗传学研究可能是在小鼠中植入假记忆它于2013年出版,将其作者史蒂夫拉米雷斯和已故的徐柳转变为神经科学摇滚明星。据称史蒂文·拉米雷斯在分手时听取了泰勒·斯威夫特,并想知道如何从记忆中抹去他的前任,这导致了一些开创性的记忆操纵:他和他的同事让老鼠相信在特定环境中发生了创伤经历 – 尽管它实际上没有。

在这个实验中,他们让小鼠平静地探索一个盒子,用光敏蛋白标记记录这个环境记忆的细胞。然后将小鼠置于第二个盒子中,其中两个事物同时发生:光诱导的第一盒记忆的激活和疼痛的足部休克的递送。这样,鼠标被调节以将可怕事件(例如电击)与未连接到它的地方的记忆相关联 – 创建了错误的记忆。

事实上,当放回到无害的盒子里时,鼠标会因恐惧而僵住,似乎在等待电击的到来。此外,即使在一个全新的盒子中激活了现在与疼痛相关的第一盒记忆,鼠标也会变得害怕。即使这个背景没有已知的危险,老鼠似乎记得他们已经忍受了一些折磨。除了令人兴奋之外,这一发现可能是潜在创伤后应激障碍治疗的基础 – 也许在不久的将来,我们可以有选择地消除与某些环境相关的创伤记忆,改变它们或用新的替代它们。

关于拉米雷斯和刘对老鼠做了什么的更详细的解释。

激光诱导记忆操作的另一个例子是扭转记忆的情感价值。研究人员设法让事情发生在一个发生不良事件的地方 。这是通过操纵海马之间的连接(“它在哪里?” – 部分)和杏仁核(“我对它有什么感觉?” – 部分)来完成的。

在该实验中,将小鼠放入盒子中,在那里他们受到电击,形成创伤记忆。然后科学家们将储存这些记忆的细胞变为光敏感。在那之后,老鼠处于一种新的状态 – 受创伤的科学烈士们嗅到了一只雌性老鼠。同时,海马体内原始盒子的记忆被光遗传重新激活。

研究人员基本上断开了对一个地方的记忆和与之相关的情感(“这里发生了一些不好的事情。我最好在角落里冻结”)并将其重新插入另一种情绪(“在这个房间里,我是多么令人愉快的卡萨诺娃! “)。回到他们原来的盒子后,老鼠们没有表现出恐惧 – 这个地方现在被人们记住是与女士老鼠浪漫相遇的地方。它也在相反的方向发挥作用:在这个盒子的记忆被人为地连接到电击之后,在原始位置遇到女性对应物的老鼠变得害怕。

因此,未来这种意想不到的灵活性将有助于退伍军人从恐慌和恐怖中拔出战场,并将其与宁静和幸福的感觉联系起来。

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一只老鼠在红色房间里有一场浪漫的相遇。在它被调节以使红色房间的记忆(由光激活)与电击相关联之后,相同的鼠标变得不快乐。mopapersmoproblems

或者说你想忘记你的前任。一种可能性是龙舌兰酒。另一种方法是在细胞水平上扰乱重建过程。“重新整合”意味着每当记忆被召回时,其神经痕迹就会变得不稳定,因此每当你记住某些东西时,它就需要重新保存(整合)。

至少这种方法适用于老鼠:CA1,海马区域在重新巩固中发挥作用,在他们回忆起可怕的记忆的那一刻,它被光遗传沉默。第二天,很多老鼠似乎都没记得给他们施加的电击,不小心在实验箱里闲逛。似乎阻止上下文内存在被主动记忆时被重新稳定可能有助于删除它。“老鼠心灵的永恒阳光”,即将到达影院!

操纵社会行为

使用光遗传学技术积极研究的另一个重要领域是社会行为。侵略,焦虑,嗅闻女性:我们与啮齿动物有很多重要的社交行为(好吧,也许不是最后一个。除非你真的喝醉了)。了解行为功能障碍的细胞基础并调整它们对于ASD(自闭症谱系障碍)或精神分裂症等疾病非常重要。

其中一项研究详细研究了杏仁核,并在其内侧部分发现了两个不同的神经元亚群。一个(抑制性)负责不同的社会行为(例如侵略),第二个(兴奋性)引发社会行为(例如重复的自我修饰)。当研究人员人工激活抑制性亚群时,受刺激的小鼠从探险家多拉走到了不可思议的绿巨人:它无情地攻击了同伴,光线持续了几毫秒。当兴奋性细胞亚群被激活时,老鼠只是忘记了保护它的领土免受入侵者的侵害,并完全嬉皮和放松。

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到目前为止,这并不是唯一一项试图了解侵略的确切神经基础的研究。下丘脑是控制饥饿,体温和交配等基本功能的小区域,也显示出具有热脾细胞群。下丘脑部分的光遗传刺激具有很长的名称(腹内侧下丘脑的腹外侧区域),使雄性小鼠变成了血腥的维京人,攻击其他雄性,雌性甚至是无生命的物体。解开这个电路可以回答各种各样的问题:大脑如何控制侵略?有些人难以暴力吗?我们可以减轻攻击性行为吗?

从频谱的另一个极端,快感缺乏和抑郁症的社会退缩了探讨为好。在抑郁症小鼠中,内侧前额叶皮层(mPFC)的刺激,这个区域负责决策和情绪调节等功能,使得它们更少抑郁,更具社交活性。他们开始外出并再次获得乐趣(在鼠标世界中意味着与其他老鼠的互动)并且似乎更享受生活(吃更多的蔗糖是他们的生活)。这种缓解症状的快速方法与目前常用的抗抑郁药相比有利,这些抗抑郁药需要数周甚至数月才能开始工作。

而这仅仅是个开始。光遗传学正在采取婴儿步骤; 想象一下完整的冲刺会是什么样子。这需要几十年的时间来完善技术,理解潜在的目标并讨论道德方面,但实际上我们可能最终得到了一些(甚至更多)惊人的东西。

到目前为止,唯一的人类光遗传学研究旨在恢复盲人的视力; 也许在五十年或一百年(考虑到我们避免特朗普总统任期和地球仍然存在)慢性疼痛,抑郁症或强迫症患者会随着电缆走出他们的头部随便走动。或者也许光遗传学只会用于基础大脑研究,其结果将被转化为其他形式的治疗,如深部脑刺激。谁知道?我们唯一可以做的就是大胆前往没有人去过的地方,正如柯克船长所说的那样

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柯克船长批准神经科学领域的技术进步。