Für die erste Zeit, ein team von Neurowissenschaftler von der Columbia University haben kontrolliert eine visuelle Verhalten einer Maus durch die Aktivierung ein paar Neuronen in seiner visuellen cortex.
In Ihrer Studie, veröffentlicht in der Zelle, die Forscher gezeigt, dass bestimmte Gruppen von Neuronen, bekannt als neuronale ensembles, haben eine kausale Rolle im Verhalten. Die Forscher verwendeten neue optische und analytische Instrumente zur Identifizierung von kortikalen ensembles in Mäusen, während Sie führten eine visuelle Aufgabe. Sie auch verwendet, hohe Auflösung optogenetik, um gleichzeitig Ziel ausgewählt Neuronen mit single-cell-Präzision, die Kontrolle über die Mäuse Verhalten. Während die präzise Aktivierung von Neuronen im Zusammenhang mit der Aufgabe verbessert die Leistung des Tieres, die Aktivierung von anderen Neuronen auf, die nicht mit der Aufgabe, degradiert das Verhalten.
„Dies ist die aufregendste Arbeit zu kommen aus meinem Labor in den Jahrzehnten, seit wir belegen, dass die kortikale ensembles sind der Schlüssel für das Verhalten und wir können Klavier spielen mit Ihnen und ändern am Willen der behavioral Leistung der Tiere“, sagt Rafael Yuste, der senior-Autor der Studie und professor der Biologischen Wissenschaften an der Columbia. „Die Daten zeigen darüber hinaus, dass neuronale ensembles sind interne Repräsentationen eines visuellen Reizes“, fügte Yuste, der auch ein Mitglied der Data-Science Institute an der Columbia.
Die Forschung könnte auch wichtige Anwendungen in der Medizin. Die Identifizierung der physiologisch relevanten neuronalen ensembles mit single-cell-Präzision verwendet werden könnte, um die Reorganisation der Handlungsmuster zwischen gezielten Neuronen und neu zu Programmieren fehlerhafte neuronale schaltkreise. Und der Reorganisation jener neuronalen Muster hat das Potenzial zur Behandlung von pathologischen Zuständen verursacht durch abnormale aktivierungsmuster im psychischen und neurologischen Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Schizophrenie, sagte Luis Carrillo-Reid, ein ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Kloster-Labor und führen Autor des Papiers, „Controlling Visuell Geführte Verhalten durch Holographische eingedenk der Kortikalen Ensembles.“
„Wir sind noch weit davon entfernt, mit diesen Methoden wie Behandlungen für Patienten,“ sagte Carrillo-Reid, „aber diese Studie könnte einen Fahrplan Richtung genau die Neuprogrammierung des Gehirns, womit sich die Neurowissenschaft einen Schritt näher an der Klinik.“
Arbeiten im Kloster-Labor, die Forscher verwendeten zwei-Photonen-Kalzium imaging neuronaler schaltkreise und zwei-Photonen-optogenetik, Methoden, die ursprünglich von der Yuste Gruppe optisch zu Lesen und zu schreiben neuronalen Aktivität. Mit der calcium-imaging, kann man verfolgen, welche Neuronen feuern in einer neuronalen Schaltung, in der Erwägung, dass mit der optogenetik kann man aktivieren Neuronen zu werden. Mithilfe der zwei-Photonen-Laser, darüber hinaus konnte das team zu führen Kalzium-imaging-und optogenetik mit single-cell-Präzision in das Gehirn von Tieren, wie Sie laufen auf Laufbändern.
Die Forscher injizierten Mäusen mit Viren, die Ihnen erlaubt zu beobachten, die neuronalen aktivitätsmustern im Gehirn. Sie waren auch in der Lage, präzise zu manipulieren, die Aktivität Ihrer Nervenzellen mit Licht. Als Nächstes befestigt Sie die Mäuse zu einem zwei-Photonen-Mikroskop und beobachtete Sie, während Sie liefen auf kleinen Laufbändern. Für die zwei Wochen, die Forscher trainierten den Mäusen, die die Zuordnung einer visuellen Reiz—drifting vertikalen Balken dargestellt, um Sie auf eine video-Bildschirm—mit Wasser, so dass, wenn der vertikale Balken erschien, Sie würden lecken bei einem Wasser-Auslauf. Nachdem die Mäuse gelernt, die Zuordnung der optische Reiz lecken die Wissenschaftler identifizierten die Gruppe von Neuronen in den Mäusen, reagierte auf die vertikalen Balken, und reaktiviert diese Neuronen mithilfe eines zwei-Photonen-laser. Diese Reaktivierung geholfen, die Mäuse zu lecken richtig mehr Zeit als erwartet und sogar hervorgerufen lecken und in der Abwesenheit von visuellen reizen, als wenn die Mäuse sehen, die vertikalen Balken, wie eine Halluzination. Die Forscher selbst ausgelöst, die lecken Verhaltens durch die stimulation nur zwei Neuronen, wie lange waren Sie die bestimmte Gruppe von Neuronen im Zusammenhang mit dem Verhalten.
Elektrische stimulation verschiedener Bereiche des Gehirns hat seit Jahrzehnten zu lindern Symptome von Bewegungsstörungen wie Parkinson und mehr vor kurzem zur Behandlung von neuropsychiatrischen Erkrankungen wie depression. Diese Technik, bekannt als die Tiefe Hirnstimulation wird verwendet, um zu helfen, zig Tausende von Patienten jedes Jahr. Die Technik beinhaltet jedoch die manipulation einer großen Menge von Neuronen, deren räumliche Lage und Identität unbekannt sind. In dieser Studie zeigten die Wissenschaftler den „proof of principle“, dass die Identifizierung und Ausrichtung sehr spezifischen Neuronen ändern können, ein Verhalten, öffnen einen Weg, um mit dieser Technik zu helfen, korrigieren Sie die Probleme, die von Erkrankungen des Gehirns,“ sagte Carrillo-Reid, der jetzt leitet er ein Labor an der Nationalen autonomen Universität von Mexiko.