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。
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蟲(chóng)的基因使神經(jīng)元對(duì)光線敏感，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。”
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領(lǐng)導(dǎo)的研究小組描述他們通過(guò)操縱秀麗隱桿線蟲(chóng)“腦部”的神經(jīng)元對(duì)其進(jìn)行了控制。
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