斯坦福大學的科學家透過用光訊號啟用少數腦細胞，觸發了小鼠的視覺幻覺。研究人員只需要刺激神經元，就能讓小鼠表現得好像它感知到了不存在的東西——這意味著大腦可能比以前認為的更具可塑性。
植入視覺影像到小鼠大腦中只涉及如此少的細胞，“這引發了一個問題：為什麼我們沒有一直走來走去產生幻覺？”該研究的資深作者、斯坦福大學生物工程、精神病學和行為科學教授卡爾·戴瑟羅思說。
目前尚不清楚健康的大腦如何避免這種幻覺，但“作為一名精神科醫生，這讓我想到了所有我們有自發的、不受歡迎的、不適當的活動的疾病，”戴瑟羅思在談到精神分裂症和其他疾病時說。“我們非常有興趣深入研究，”他補充道。
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在這項於 7 月 18 日發表在科學雜誌上的研究中，戴瑟羅思和他的同事們在控制小鼠感知的同時捕捉其大腦活動——然後使用該記錄來刺激相同的神經元，從而有效地引發“幻覺”。倫敦大學學院神經科學教授邁克爾·豪瑟說，這項新工作將幫助科學家開始“理解皮層中的迴路如何幫助我們感知世界”，他沒有參與這項研究。（一項類似的研究本月在細胞雜誌上發表。）
在實驗中，小鼠觀察簡單的視覺刺激——白色背景上的垂直或水平黑色條紋。研究人員訓練小鼠在看到垂直條紋時舔舐管子以獲取水，但在看到水平條紋或沒有條紋時則不舔舐。視覺皮層中的神經活動被記錄下來，然後使用一種稱為光遺傳學的技術刺激相同的區域，而沒有顯示實際影像，這產生了對不存在事物的感知。由此產生的活動——即使在沒有被直接刺激的神經元中——也類似於實際影像顯示在螢幕上時的情況。
在某個時刻，研究人員逐漸降低影像的對比度，直到小鼠難以區分垂直或水平條紋。但是，例如，當對響應垂直條紋而放電的神經元進行光遺傳學刺激時，小鼠能夠更好地正確辨認出垂直條紋的模糊影像。
豪瑟說，戴瑟羅思的論文創造了新的工具，這些工具將有助於嘗試理解資訊如何在腦回路中表示和儲存。豪瑟說，“如果我們能使用這些工具來理解感知的神經程式碼，那麼我們實際上可以模擬感覺。”他最近進行了類似的研究。“如果我們能做到這一點，我們就可以製造假肢。我們基本上可以幫助大腦感知世界。”
在過去的十幾年左右，戴瑟羅思幫助開創的光遺傳學技術使研究人員能夠透過基因工程改造不同型別的神經元，使其在受到光刺激時開啟或關閉。早在 2012 年，戴瑟羅思和他的同事們表明他們可以啟用單個小鼠腦細胞。然後他們獲得了對一組細胞的控制權，依次刺激它們。
在最新的論文中，戴瑟羅思和他的團隊展示了一種控制腦細胞活動的新方法。他們透過測試各種天然蛋白質並鑑定出一種與典型的光遺傳學蛋白質互補而不是干擾的蛋白質來實現這一點，因此兩者可以同時起作用。這一成就使研究人員能夠同時刺激神經元並對其進行成像。
該小組還證明，它可以利用這種新方法來更多地瞭解大腦如何感知感官資訊。“要理解——當然，也要影響或恢復——感知，影響少數神經元的活動可能就足夠了。這是一個深刻的含義，”麻省理工學院神經科學教授姆裡甘卡·蘇爾說，他沒有參與這項研究。
豪瑟指出，人類大腦的感覺能力，包括嗅覺、聽覺和觸覺，是否以相同的方式反應尚不清楚。“也許最終會發現聽覺皮層非常不同。我們尚不清楚，”他說。
但戴瑟羅思說，他已經看到了一些線索，表明人腦的功能與小鼠的大腦相似。他曾經有一位患有查爾斯·邦內綜合徵（Charles Bonnet syndrome）的腦部疾病患者，這種疾病可能發生在成年後失明的人身上，導致自發的、結構良好的視覺幻覺。戴瑟羅思說，抗精神病藥物通常對治療這種疾病無效，但一種抑制某些腦細胞活動的癲癇藥物對他的病人產生了效果。這一觀察結果與他在小鼠大腦中看到的情況相符，即增加某些細胞的活動會產生幻覺。
接下來，戴瑟羅思計劃研究他刺激的小鼠細胞的其他方面，包括它們產生的蛋白質及其佈線，試圖跟蹤它們傳遞給鄰居的訊號，並辨別該資訊如何在整個大腦中傳播——從而獲得哺乳動物大腦更詳細的影像。