光控大脑成为现实

【字体: 时间:2011年04月29日 来源:环球科学

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  美国哈佛 大学的一个研究小组制作了一个可以操控线 虫的计算机系统——通过激光刺激培养皿中自由游动的线虫的单个神经元,可以让它们 开始或停止游动,给它们被抚摸的感觉,甚至可以促使它们产卵。这项技术也许可以帮 助神经科学家更好地理解动物神经系统如何工作。

  

    科学家离人工控制大脑又近了一步,虽然这个大脑比沙砾还要小。最近,美国哈佛 大学的一个研究小组制作了一个可以操控线虫的计算机系统——通过激光刺激培养皿中自由游动的线虫的单个神经元,可以让它们开始或停止游动,给它们被抚摸的感觉,甚至可以促使它们产卵。这项技术也许可以帮 助神经科学家更好地理解动物神经系统如何 工作。、

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    实验中的线虫学名为秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans),是研究得最深入的一种生物:科学 家已经完成了秀丽隐杆线虫体内全部细胞的分类和绘制,其 中包括302个神经细胞和5 000 多个神经连接。但是,科学家 始终不知道“神经细胞如何像网络一样协同 工作”,美国哈佛大学生物物理学专业的研 究生安德鲁·利弗尔(Andrew Leifer)说。 当线虫在游动时,它们如何协调全身100 多 个肌肉细胞,让这些细胞呈现出波浪一样的 收缩和舒展模式?
 

     为了弄清这个问题, 利弗尔和同事 利用基因技术,改造了一条只有1 毫米长 的线虫,让它体内的一些特殊细胞对光敏 感——这就是近年发展起来的光遗传学技术 (optogenetics,参见《环球科学》2010 年第 12 期《用光遥控大脑》)。因为线虫的身体是 透明的,聚焦点极小、瞄准精度高达30微米的激光束可以激活或抑制单个神经细胞的活动,无须使用 电极或其他侵入式手段。利弗尔将显微镜放在一个专门定做 的试验台上,来跟踪线虫在培养皿里的活动。他还编写了一 个程序,通过分析显微镜中的图像来锁定目标神经细胞的位 置,然后瞄准细胞,发射激光束。这项研究的结果发表在《自然·方法学》(nature method)的网络版上。
 

     其他研究小组已经用光遗传学技术控制过固定不动的线 虫的单个神经元。但利弗尔认为,就了解动物体的生理机制 而言,必须要在自由活动的线虫身上进行实验。他和合作者 的研究表明,在线虫游动的过程中,运动信号向全身的传递 不只是通过肌肉细胞本身,还会通过神经连接。
 

     利弗尔认为,这项技术或许能在某一天帮助科学家完整 模拟这种生物的行为。他说:“我们希望可以创造出线虫整个神经系统的计算机模型。”在某种程度上,这好比是向计算机 “上传大脑”,虽然只是一个很初级的大脑。
 

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