Cell重磅：在諾獎成果基礎上，用「全光學」來「操縱記憶」

2020-11-11 brainnews

----brainnews團隊原創作品----

倫敦大學學院（UCL）的神經科學家利用雷射束「打開」小鼠的神經元，從而針對記憶的隱藏運作機制提出了新的觀點，並闡述了記憶如何鞏固大腦內部的GPS定位系統。


這項發表在《細胞》雜誌上的研究，解釋了研究人員如何利用雙光子鈣成像和雙光子光遺傳學的「全光學」組合，同時讀寫小鼠「位置細胞」（神經元的一種）中的活動，而這種細胞可以在虛擬實境環境中進行導航。

值得注意的是，通過刺激位置細胞，科學家們能夠重新激活（或找回）小鼠獲得獎勵的相關位置記憶，進而對小鼠進行「心理傳輸」，使小鼠行為同身處獎勵位置時的行為保持一致。

這項新研究的基礎是約翰·奧基夫教授（倫敦大學學院，UCL）所取得的突破性進展，而約翰·奧基夫教授在2014年因發現位置細胞而獲得諾貝爾生物學獎。這些細胞存在海馬體中，只有當動物進入環境中的特定位置時，這些細胞才會變得活躍。

人們將位置細胞視為環境的認知地圖，這就像一個內在的GPS定位系統，同時其能夠保留位置記憶。倫敦大學學院（UCL）的這項新研究，首次直接表明位置細胞活動是構成大腦導航能力的基礎。

關於記憶是如何儲存的，這些結果使我們有了更深入的了解，倫敦大學學院的科學家們認為，這些發現最終可以幫助我們發展新療法，以治療影響記憶的痴呆症和阿爾茨海默氏症等疾病。

第一作者尼克·羅賓森博士（倫敦大學學院Wolfson生物醫學研究所）說：「這些結果提供了直接的因果證據，可證明小鼠利用位置細胞活動所代表的信息來指導它們的行為。換句話說，位置細胞確實告訴了小鼠它在哪裡，而小鼠在做決定時，實際上是『聽取』位置細胞的信息。關於記憶是如何存儲在大腦中的，這一發現為我們提供了新的觀點，同時還提供了操縱這些記憶來影響行為的新工具。」

他補充說道：「記憶障礙，比如痴呆症和阿爾茨海默氏症中所存在的記憶障礙，代表社會需要付出巨大成本。這項研究最終可能會使人們更好地了解這些疾病，同時也能產生治療幹預的新目標。」

主要作者麥可·豪斯教授（倫敦大學學院Wolfson生物醫學研究所）說：「這項研究改變了遊戲規則，因為它表明我們可以利用光學讀寫特定神經元的活動來操縱記憶，從而使我們能夠更好地理解，並有可能改善神經迴路活動如何幫助我們做出決策這一過程。」

實驗研究解釋的內容

倫敦大學學院Wolfson生物醫學研究所的研究人員利用了一種非常有效的方法，該方法結合了兩種革命性的技術，即利用光來讀寫大腦中的電活動。

首先，他們將神經元巧妙設計成已標記基因編碼的鈣傳感器，這使得細胞在活動時能夠發光。其次，他們在這些神經元中標記了對光敏感的「光遺傳」蛋白，使它們能夠用雷射束激活特定的細胞，並使用數字全息技術來進行定位。

通過將這兩種技術結合起來，對於在虛擬實境中進行導航的老鼠來說，該團隊既可以記錄也可以操縱其大腦中同一神經元的活動。

倫敦大學學院的科學家們利用這種方法，對小鼠導航到虛擬世界內特定位置領取糖水獎勵的海馬中的位置細胞進行定向激活。他們首先使用光學方法記錄了大量海馬位置細胞的活動，確定了那些在獎勵位置特定活躍的細胞，從而形成該位置的記憶基礎。然後，他們在虛擬世界的不同位置，使用全息定向雷射束來激活這些特定位置細胞。

值得注意的是，對位置細胞進行刺激完全可以找回關於獎勵位置的記憶，從而促使小鼠在新位置尋找獎勵。換句話說，用光刺激神經元使動物實現「心理傳輸」，就能使它們的行為同在獎勵位置的行為保持一樣。這一發現首次證明了，位置細胞的激活是如何使我們檢索環境記憶並幫助我們進行導航。


參考文獻：

Robinson et al,Targeted Activation of Hippocampal Place Cells Drives Memory-Guided Spatial Behavior. Cell 2020. DOI: 10.1016/j.cell.2020.09.061


編譯作者：裡爾（brainnews創作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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