Nature：新发现挑战神经元作用传统理论
美德科学家独立进行的两项最新研究表明，单个神经元的激发就足以影响学习和行为。这一结论挑战了人们长期以来的认识，即数千个神经元的有序排列才能够产生一个行为反应。这两篇论文12月19日在线发表于《自然》杂志上。
进行最新研究的是美国霍华德•休斯医学院的神经生物学家Karel Svoboda和同事，以及洪堡大学Michael Brecht领导的一个独立研究小组。他们的研究结论为一项饱受争议的神经理论——神经元“稀疏编码”假说（sparse-coding hypothesis）提供了依据和支持，该理论认为，少量的神经元就能够产生反应冲动。
Svoboda和Brecht的小组分别研究了啮齿动物大脑接收胡须感觉输入的区域——体觉皮层（barrel cortex），它包括大约200万个神经元。尽管两个小组利用技术不同，但都能刺激特定的神经元。
Svoboda和同事创造出一种基因改造小鼠，它们能够在体觉皮层与学习相关的区域表达特定的荧光蛋白。这种通常存在于海藻中的蛋白通过令离子通过细胞膜，创造出电流来对蓝光发生响应。在向小鼠头骨植入一块玻璃窗后，研究人员又在它们头上安装了小型的发光二极管。研究人员可以通过改变二极管发光强度来调节细胞膜上作用的强度。
Svoboda等人让小鼠学习在受到光线刺激后选择笼子中的两个特定位置其中之一，如果正确，小鼠将能得到喝水的奖励。研究人员发现，小鼠最少只需要激活60个神经元，就能学会按照光脉冲产生反应。
Brecht小组利用的是另一种手段。研究人员将能够激活单个神经元的电极深深植入大鼠的体觉皮层中。随后，他们训练这些大鼠在感受到神经刺激后，利用舌头舔动作来打断一束光线。结果发现，平均而言，大鼠有5%的时间是对单个神经元的激励产生响应的。不过，这种响应的程度和范围高度依赖于被激发的是哪个神经元。比如，一些神经元能够唤起50%时间的响应。
德国尤利希研究中心（Jülich Research Centre）的神经生物学家Dirk Feldmeyer表示，新的结论会对科学家如何看待神经系统网络产生根本的影响。“这真的能够改变人们的看法，即认为大脑皮层只会对大量神经元活动的激励产生响应。”
不过，Svoboda和Brecht都坦然承认，他们的发现无法终结关于“稀疏编码”假说的争论。Svoboda表示，“我们的研究表明动物能够读出十分稀疏的编码，但并不意味着正常行为的编码就是稀疏的。”而要真正弄清这一问题，需要极度敏感的成像技术来探测神经活动。“这个问题尚未以令人满意的方式解决，还有一些技术障碍需要克服。”Svoboda说。（科学网 任霄鹏/编译）
原始出处:
Nature advance online publication 19 December 2007 | doi:10.1038/nature06445; Received 19 August 2007; Accepted 2 November 2007; Published online 19 December 2007
Sparse optical microstimulation in barrel cortex drives learned behaviour in freely moving mice
Daniel Huber1,2, Leopoldo Petreanu1,2, Nima Ghitani1, Sachin Ranade2, Tomá
Hromádka2, Zach Mainen2 & Karel Svoboda1,2
- Howard Hughes Medical Institute, Janelia Farm Research Campus, Ashburn, Virginia 20147, USA
- Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, New York 11724, USA
Correspondence to: Karel Svoboda1,2 Correspondence and requests for materials should be addressed to K.S. (Email: svobodak@janelia.hhmi.org).
Electrical microstimulation can establish causal links between the activity of groups of neurons and perceptual and cognitive functions1, 2, 3, 4, 5, 6. However, the number and identities of neurons microstimulated, as well as the number of action potentials evoked, are difficult to ascertain7, 8. To address these issues we introduced the light-gated algal channel channelrhodopsin-2 (ChR2)9 specifically into a small fraction of layer 2/3 neurons of the mouse primary somatosensory cortex. ChR2 photostimulation in vivo reliably generated stimulus-locked action potentials10, 11, 12, 13 at frequencies up to 50 Hz. Here we show that naive mice readily learned to detect brief trains of action potentials (five light pulses, 1 ms, 20 Hz). After training, mice could detect a photostimulus firing a single action potential in approximately 300 neurons. Even fewer neurons (approximately 60) were required for longer stimuli (five action potentials, 250 ms). Our results show that perceptual decisions and learning can be driven by extremely brief epochs of cortical activity in a sparse subset of supragranular cortical pyramidal neurons.
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