斯坦福大学的科学家通过用光信号激活少数脑细胞，触发了小鼠的视觉幻觉。研究人员只需要刺激神经元，就能让小鼠表现得好像它感知到了不存在的东西——这意味着大脑可能比以前认为的更具可塑性。
植入视觉图像到小鼠大脑中只涉及如此少的细胞，“这引发了一个问题：为什么我们没有一直走来走去产生幻觉？”该研究的资深作者、斯坦福大学生物工程、精神病学和行为科学教授卡尔·戴瑟罗思说。
目前尚不清楚健康的大脑如何避免这种幻觉，但“作为一名精神科医生，这让我想到了所有我们有自发的、不受欢迎的、不适当的活动的疾病，”戴瑟罗思在谈到精神分裂症和其他疾病时说。“我们非常有兴趣深入研究，”他补充道。
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在这项于 7 月 18 日发表在科学杂志上的研究中，戴瑟罗思和他的同事们在控制小鼠感知的同时捕捉其大脑活动——然后使用该记录来刺激相同的神经元，从而有效地引发“幻觉”。伦敦大学学院神经科学教授迈克尔·豪瑟说，这项新工作将帮助科学家开始“理解皮层中的回路如何帮助我们感知世界”，他没有参与这项研究。（一项类似的研究本月在细胞杂志上发表。）
在实验中，小鼠观察简单的视觉刺激——白色背景上的垂直或水平黑色条纹。研究人员训练小鼠在看到垂直条纹时舔舐管子以获取水，但在看到水平条纹或没有条纹时则不舔舐。视觉皮层中的神经活动被记录下来，然后使用一种称为光遗传学的技术刺激相同的区域，而没有显示实际图像，这产生了对不存在事物的感知。由此产生的活动——即使在没有被直接刺激的神经元中——也类似于实际图像显示在屏幕上时的情况。
在某个时刻，研究人员逐渐降低图像的对比度，直到小鼠难以区分垂直或水平条纹。但是，例如，当对响应垂直条纹而放电的神经元进行光遗传学刺激时，小鼠能够更好地正确辨认出垂直条纹的模糊图像。
豪瑟说，戴瑟罗思的论文创造了新的工具，这些工具将有助于尝试理解信息如何在脑回路中表示和存储。豪瑟说，“如果我们能使用这些工具来理解感知的神经代码，那么我们实际上可以模拟感觉。”他最近进行了类似的研究。“如果我们能做到这一点，我们就可以制造假肢。我们基本上可以帮助大脑感知世界。”
在过去的十几年左右，戴瑟罗思帮助开创的光遗传学技术使研究人员能够通过基因工程改造不同类型的神经元，使其在受到光刺激时开启或关闭。早在 2012 年，戴瑟罗思和他的同事们表明他们可以激活单个小鼠脑细胞。然后他们获得了对一组细胞的控制权，依次刺激它们。
在最新的论文中，戴瑟罗思和他的团队展示了一种控制脑细胞活动的新方法。他们通过测试各种天然蛋白质并鉴定出一种与典型的光遗传学蛋白质互补而不是干扰的蛋白质来实现这一点，因此两者可以同时起作用。这一成就使研究人员能够同时刺激神经元并对其进行成像。
该小组还证明，它可以利用这种新方法来更多地了解大脑如何感知感官信息。“要理解——当然，也要影响或恢复——感知，影响少数神经元的活动可能就足够了。这是一个深刻的含义，”麻省理工学院神经科学教授姆里甘卡·苏尔说，他没有参与这项研究。
豪瑟指出，人类大脑的感觉能力，包括嗅觉、听觉和触觉，是否以相同的方式反应尚不清楚。“也许最终会发现听觉皮层非常不同。我们尚不清楚，”他说。
但戴瑟罗思说，他已经看到了一些线索，表明人脑的功能与小鼠的大脑相似。他曾经有一位患有查尔斯·邦内综合征（Charles Bonnet syndrome）的脑部疾病患者，这种疾病可能发生在成年后失明的人身上，导致自发的、结构良好的视觉幻觉。戴瑟罗思说，抗精神病药物通常对治疗这种疾病无效，但一种抑制某些脑细胞活动的癫痫药物对他的病人产生了效果。这一观察结果与他在小鼠大脑中看到的情况相符，即增加某些细胞的活动会产生幻觉。
接下来，戴瑟罗思计划研究他刺激的小鼠细胞的其他方面，包括它们产生的蛋白质及其布线，试图跟踪它们传递给邻居的信号，并辨别该信息如何在整个大脑中传播——从而获得哺乳动物大脑更详细的图像。