植入幻觉！科学家用光刺激神经元，控制大脑产生特定幻觉

耳听为虚，眼见也不一定为实。我们所感受到的这个物理世界，会不会是被虚拟出来的呢？

7 月 19 日，Science 就发表了一项有关创造虚拟视觉的重磅研究。

来自美国斯坦福大学医学院的神经学家开发了一种新的光遗传学技术（optogenetic），能够在小鼠大脑皮层上观察和控制数百个神经元，结合改进的全息光刺激技术（holographic photostimulation），研究人员在没有感官信号输入的情况下，成功在活体小鼠大脑中创造出了视觉皮层活动，即小鼠大脑中出现了科学家们创造的幻觉，并且这一幻觉成功引导了小鼠的行为。

图 | 改进的全息影像设备和一只小鼠（来源：STANFORD UNIVERSITY）

斯坦福大学生物工程学、精神病学和行为科学教授 Karl Deisseroth 是论文通讯作者，他表示，通过类似的方法还可以让科学家创造其它种类的感知，比如嗅觉、味觉和触觉等。“早在 2012 年，我们就已经描述了在清醒、警觉的动物身上控制个别选定神经元活动的能力。现在，我们首次实现了提高同时控制多个单独指定大脑神经元的能力，让动物感知一些实际上并不存在的特定东西，并据此做出相应的行为。”

这项研究不仅加深了我们对大脑如何产生外界感知以及精神疾病发生的理解，而且研究人员认为，单神经元光遗传学技术也许有一天会指明设计治疗脑部疾病神经修复装置的可能性。

能够控制神经元的技术

我们之所以能够看到、听到、摸到周围的世界，是因为我们的眼睛、耳朵、皮肤会将环境刺激信号传输到大脑皮层，并在皮层相应区域产生神经元活动。正是这些神经元的活动，才形成了我们对外部环境的真实感知体验，当然，大脑皮层偶尔也会错误地形成一些真实世界并不存在的感知体验，比如幻听、幻视。

尽管如今神经科学家们对于大脑神经元活动与感知、行为之间的关系已经有了丰富的认知，但想要实现人为影响大脑神经元的感知和行为，仍是一件比较困难的事情。

近些年来脑机接口技术的发展，为科学家们读取和控制神经元信号提供了新的途径。不过与脑机接口这种将神经元与芯片直接接触的方式不同，光遗传学技术则提供了一种更加颠覆性的可能，即通过光刺激控制神经元活动。

2005 年，Karl Deisseroth 实验室发明了光遗传学技术，彻底改变了神经科学领域，Karl Deisseroth 也被称为光遗传学之父。

图 | Karl Deisseroth（来源：med.stanford.edu）

光遗传学技术是通过基因工程技术，将光感蛋白基因转入特定类型的神经细胞，使其在神经细胞表明形成光感离子通道，在不同波长的光照刺激下，光感离子通道会对细胞膜阳离子或阴离子的通过产生选择性，从而实现对神经元选择性兴奋或抑制的目的。

在这项新的研究中，Deisseroth 和他的同事将两种基因插入实验小鼠视觉皮层的神经元中。其中一个基因编码了一种光敏蛋白，这种蛋白能使神经元对一种很窄频率的激光脉冲做出反应，在这次实验中使用的是红外光谱；另一个基因编码了一种荧光蛋白，当神经元活跃时，这种蛋白就会发出绿光荧光。

在实验过程中，研究人员切除小鼠部分头骨制造出一个“颅窗”，使其大脑中负责处理视网膜传递信息的视觉皮层暴露出来，并用一层透明玻璃保护这一暴露区域。

让大脑产生特定幻觉

为了先探究清楚小鼠大脑视觉皮层信号的规律，研究人员将小鼠的脑袋固定在一个舒服的位置，并在小鼠面前的屏幕上随机显示一系列水平和垂直的条形图。

然后观察并记录水平条形图或垂直条形图出现时，小鼠大脑视觉皮层中的哪些神经元会被激活，也就是哪些神经元会发出绿色荧光，从而识别出对应着水平或垂直视觉显示所对应的单个神经元群。

之后，研究人员再用全息影像的形式，“再现”这些对水平或垂直条形图有反应的神经元上产生红外光斑点。

图 | 小鼠在屏幕上观看横条纹或竖条纹图形，显微镜捕捉到此时大脑视觉皮层的哪些神经元产生反应（来源：Science）

理论上来说，这个时候只需要将记录了水平条形图或垂直条形图的全息图，以激光的形式照射到小鼠视觉皮层神经元上面的光敏蛋白，即有可能让小鼠大脑中产生又看到了水平条形图或垂直条形图的“幻觉”。

但是，在做这一步之前，还有一个问题要解决，就是我们怎么知道小鼠大脑中是否产生了幻觉，以及产生的幻觉是什么样子呢？

为此，研究人员巧妙地运用了小鼠实验中常用的一些行为训练工具（当然这次不是跑圈圈）。具体而言，研究人员训练这些小鼠，使它们在看到竖条图时舔附近的水管，看到横条图时则不舔，什么都没看到的时候也不舔。

在接下来的几天里，随着这些小鼠辨别水平和垂直条纹的能力的提高，科学家们逐渐降低了黑白对比度，让这项任务变得越来越难。

等小鼠能够熟练地辨别水平和垂直条纹，科学家们就开始将代表着垂直条纹的全息信息投射到老鼠的视觉皮质上，结果发现能够引起小鼠舔水管的行为，如果投射的是代表着水平条纹的全息信息，小鼠就不会舔水管。

图 | 用光刺激大脑视觉皮层的一些细胞，能重新激活大脑的某种视觉反应，让老鼠在屏幕上什么都没有的情况下表现得好像又看到了一样（来源：Science）

“不仅动物在做同样的行为，大脑其实也在做同样的事情。所以我们知道，我们要么是在重新创造自然感知，要么是在创造非常类似的东西。”Deisseroth 表示。

让研究人员更加惊奇的是，只需要对其中 20 个神经元（甚至更少）进行光遗传学刺激，就可以让小鼠大脑中出现与自然感知类似的幻觉，并引导产生与看到竖条纹或横条纹相同的动物行为。

“想象大脑中的每个神经元就像钢琴上的一个键，”哥伦比亚大学神经科学家 Rafael Yuste 说，“你可以准确地选择某个神经元并开启它。”

不过，法国国家科学研究中心视觉研究所的物理学家 Valentina Emiliani 则表示，声称光遗传学刺激可以完全重建真实的视觉，为时过早。当然，她也认为，刺激几个神经元就能唤起与视觉有关的大脑活动，还是很令人兴奋的。

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参考：

https://science.sciencemag.org/content/early/2019/07/17/science.aaw5202

http://med.stanford.edu/news/all-news/2019/07/stanford-team-stimulates-neurons-to-induce-particular-perception.html

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/aaft-slp071519.php

https://www.sciencemag.org/news/2019/07/laser-holograms-stimulate-brain-cells-mice-probe-roots-perception-and-hallucination

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