在尋求大腦將感覺(jué)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾袨闄C(jī)制的理解中，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們跨過(guò)了一個(gè)重要的門(mén)檻。利用靶向的激光，研究人員控制了一個(gè)動(dòng)物的大腦，命令它按他們選擇的任何方向轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至輸入假的感覺(jué)信息欺騙動(dòng)物，讓它以為食物就在附近。
在這篇發(fā)表在9月23日《自然》（Nature）雜志上的論文中，由分子和細(xì)胞生物學(xué)及應(yīng)用物理學(xué)助理教授Sharad Ramanathan的研究小組描述他們通過(guò)操縱秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)“腦部”的神經(jīng)元對(duì)其進(jìn)行了控制。
Ramanathan說(shuō)這項(xiàng)工作非常重要，因?yàn)橥ㄟ^(guò)在相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)物（線(xiàn)蟲(chóng)只有302個(gè)神經(jīng)元）中控制復(fù)雜行為，我們能夠了解它的神經(jīng)系統(tǒng)是如何發(fā)揮功能的。
Ramanathan說(shuō)：“如果我們能夠了解簡(jiǎn)單的神經(jīng)系統(tǒng)到*控制它們的程度，那么或許有可能我們能夠獲得對(duì)更復(fù)雜系統(tǒng)的全面了解。這為我們提供了一個(gè)框架思考神經(jīng)回路，如何操縱它們，其中操控了哪條回路，生成了哪些活動(dòng)模式。”
他補(bǔ)充說(shuō)：“在文獻(xiàn)中極其重要的工作側(cè)重在除去神經(jīng)元，或研究影響神經(jīng)元功能的突變以及繪制整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)的連接。這些方法大多數(shù)是通過(guò)破壞來(lái)發(fā)現(xiàn)特異行為所必需的神經(jīng)元。我們一直試圖解答的問(wèn)題是：不破壞系統(tǒng)來(lái)了解它，我們能否實(shí)質(zhì)上劫持這些足以控制行為的關(guān)鍵神經(jīng)元，并利用這些神經(jīng)元來(lái)迫使動(dòng)物完成我們所想的事情?”
在Ramanathan和他的研究小組開(kāi)始解答這一問(wèn)題之前，他們還需要克服一些技術(shù)挑戰(zhàn)。
利用遺傳工具，研究人員對(duì)神經(jīng)元發(fā)出熒光的線(xiàn)蟲(chóng)進(jìn)行了遺傳工程操作，使得可在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)它們進(jìn)行追蹤。研究人員還改變了線(xiàn)蟲(chóng)的基因使神經(jīng)元對(duì)光線(xiàn)敏感，這意味著它們可以用激光脈沖激活。
zui大的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)追蹤線(xiàn)蟲(chóng)所需的硬件以及在一秒鐘內(nèi)靶向準(zhǔn)確的神經(jīng)元。
他解釋說(shuō)：“我們的目標(biāo)是只激活一個(gè)神經(jīng)元。這非常具有挑戰(zhàn)性因?yàn)閯?dòng)物在移動(dòng)，神經(jīng)元密集地聚集在頭部附近，因此獲得動(dòng)物的圖像，處理這一圖像，識(shí)別神經(jīng)元，追蹤動(dòng)物，定位你的激光并射向特異神經(jīng)元——在20毫秒內(nèi)或每秒大約50次完成所有的事情是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)我們開(kāi)始時(shí)工程操作的挑戰(zhàn)似乎是不能克服的，但Askin Kocabaszui終發(fā)現(xiàn)了克服這些挑戰(zhàn)的途徑。”
研究人員zui終開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)利用了一種可移動(dòng)的工作臺(tái)使得爬行的線(xiàn)蟲(chóng)置于一條相機(jī)和激光下。Ramanathan說(shuō)他們還定制了計(jì)算機(jī)硬件和軟件確保了系統(tǒng)能夠以他們需要的瞬間速度運(yùn)作。
他說(shuō)zui終的結(jié)果系統(tǒng)不僅能夠控制線(xiàn)蟲(chóng)的行為，還能控制它們的感覺(jué)。在論文描述的一項(xiàng)測(cè)試中，研究人員利用該系統(tǒng)欺騙線(xiàn)蟲(chóng)大腦相信食物就在附近，導(dǎo)致它徑直朝著幻想的食物爬去。
展望未來(lái)，Ramanathan和他的研究小組計(jì)劃探究該系統(tǒng)能夠在線(xiàn)蟲(chóng)中控制的其他行為。其他努力包括設(shè)計(jì)新的相機(jī)和計(jì)算機(jī)硬件以將系統(tǒng)從20毫秒提速到1毫秒。速度提高將允許他們?cè)诟鼮閺?fù)雜的動(dòng)物如斑馬魚(yú)中測(cè)試該系統(tǒng)。
Ramanathan 說(shuō)：“通過(guò)操縱這種動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)，我們能夠讓其左轉(zhuǎn)，我們能夠讓其右轉(zhuǎn)，我們能夠讓它轉(zhuǎn)圈，我們能讓它以為附近就有食物。我們希望了解這種只有幾百個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)物大腦，*且實(shí)質(zhì)上將它轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N視頻游戲，在游戲中我們能夠控制它所有的行為。”
原文摘要：
Controlling interneuron activity in Caenorhabditis elegans to evoke chemotactic behaviour
Animals locate and track chemoattractive gradients in the environment to find food. With its small nervous system, Caenorhabditis elegans is a good model system1, 2 in which to understand how the dynamics of neural activity control this search behaviour. Extensive work on the nematode has identified the neurons that are necessary for the different locomotory behaviours underlying chemotaxis through the use of laser ablation3, 4, 5, 6, 7, activity recording in immobilized animals and the study of mutants4, 5. However, we do not know the neural activity patterns in C. elegans that are sufficient to control its complex chemotactic behaviour. To understand how the activity in its interneurons coordinate different motor programs to lead the animal to food, here we used optogenetics and new optical tools to manipulate neural activity directly in freely moving animals to evoke chemotactic behaviour. By deducing the classes of activity patterns triggered during chemotaxis and exciting individual neurons with these patterns, we identified interneurons that control the essential locomotory programs for this behaviour. Notably, we discovered that controlling the dynamics of activity in just one interneuron pair （AIY） was sufficient to force the animal to locate, turn towards and track virtual light gradients. Two distinct activity patterns triggered in AIY as the animal moved through the gradient controlled reversals and gradual turns to drive chemotactic behaviour. Because AIY neurons are post-synaptic to most chemosensory and thermosensory neurons8, it is probable that these activity patterns in AIY have an important role in controlling and coordinating different taxis behaviours of the animal.
