科學(xué)在走近未知的邊界時(shí)，總會(huì )帶有一些哲學(xué)的味道。今天在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》雜志上的一篇論文，就很好地向我們詮釋了這一點(diǎn)。來(lái)自斯坦福大學(xué)（Stanford University）的科研團隊找到了一種刺激小鼠大腦、模擬視覺(jué)感知的方法。他們指出，只需要簡(jiǎn)單激活20個(gè)神經(jīng)元，小鼠就會(huì )“看到”不存在的東西，并改變自己的行為！
要知道，小鼠大腦里的神經(jīng)元高達數百萬(wàn)個(gè)。如果只激活其中20個(gè)就能讓小鼠出現幻覺(jué)，那我們怎么知道所見(jiàn)的世界是真實(shí)存在的現實(shí)，還是神經(jīng)元意外激活帶來(lái)的虛幻？這個(gè)問(wèn)題細思恐極。
本研究的負責人是“光遺傳學(xué)”的先驅之一Karl Deisseroth教授。昨日，他剛剛由于在這一領(lǐng)域的卓越貢獻，斬獲了2019年的沃倫·阿爾珀特獎。今日刊登在頂尖學(xué)術(shù)期刊上的這篇重量級研究，再次證實(shí)了光遺傳學(xué)的巨大應用價(jià)值。
先來(lái)說(shuō)說(shuō)光遺傳學(xué)。它的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單——神經(jīng)活動(dòng)源自神經(jīng)元的活躍，而光遺傳學(xué)則是利用基因改造的方法，給神經(jīng)元裝上了“開(kāi)關(guān)”。利用特殊波長(cháng)的光，我們能夠操縱特定神經(jīng)元的開(kāi)啟和關(guān)閉，從而控制神經(jīng)活動(dòng)。作為神經(jīng)生物學(xué)家的重要研究工具，它讓我們得以了解動(dòng)物行為背后的生物學(xué)機理。
為了研究小鼠的視覺(jué)感知會(huì )如何影響行為，研究人員們首先在小鼠視覺(jué)皮層的大量神經(jīng)元里引入了一種綠色熒光蛋白。一旦神經(jīng)元被激活，它就會(huì )發(fā)出綠色熒光。隨后，他們讓小鼠觀(guān)看兩種不同的條紋圖案，一種是水平方向，一種是垂直方向。由于這兩種圖案并不相同，因此小鼠視覺(jué)皮層里被激活的神經(jīng)元也有著(zhù)區別。根據大腦里發(fā)出的綠色熒光，研究人員們找到了分別只會(huì )對“橫條紋”和“豎條紋”作出反應的神經(jīng)元。
在視覺(jué)皮層內，這支團隊還引入了光遺傳學(xué)的“開(kāi)關(guān)”。理論上講，如果針對上文中找到的這些神經(jīng)元進(jìn)行刺激，小鼠就會(huì )出現看到相應圖案的神經(jīng)活動(dòng)。也就是說(shuō)，即便它們沒(méi)有真的看到這些條紋圖案，也會(huì )產(chǎn)生看到圖案的幻覺(jué)。
這一猜測得到了實(shí)驗的證實(shí)！
在這項精心設計的實(shí)驗中，科學(xué)家們訓練小鼠對不同的圖案作出不同的反應——當它們看到豎條紋時(shí)，就會(huì )去喝水；而看到橫條條紋，或是什么都沒(méi)有看到時(shí)，則不會(huì )有喝水的動(dòng)作。
之后，科學(xué)家們逐漸降低了圖案的對比度，讓它們看起來(lái)不是那么清晰。果不其然，小鼠的識別能力出現了下降，根據圖案作出正確行為的比例也有所下滑。有趣的是，如果在看到低對比度的豎條紋時(shí)，再同時(shí)刺激那些相應的神經(jīng)元，就可以增強小鼠的喝水行為。
換句話(huà)說(shuō)，就算實(shí)際上沒(méi)看清，對神經(jīng)元的刺激也會(huì )讓小鼠感覺(jué)自己“看清”了條紋。
經(jīng)過(guò)不斷訓練后，相比真實(shí)的視覺(jué)刺激（黑色），虛擬的大腦刺激（紅色）可以達到類(lèi)似的準確率
更令人驚訝的是，當這些小鼠已經(jīng)能夠純熟地根據橫條紋或豎條紋作出喝水的動(dòng)作之后，即便是身處伸手不見(jiàn)五指的黑暗之中，僅僅通過(guò)刺激“豎條紋神經(jīng)元”，就足以讓它們產(chǎn)生幻覺(jué)，隨即去喝水。相反，如果刺激的是“橫條紋神經(jīng)元”，小鼠就不會(huì )作出這樣的反應。
“這些小鼠不僅做了（和看到實(shí)際圖案）同樣的事情，它們的大腦也有同樣的反應，” Deisseroth教授說(shuō)道：“所以我們知道，這要么重新創(chuàng )造了小鼠的自然感知，要么是創(chuàng )造了與自然感知很接近的東西。”
區區20個(gè)神經(jīng)元就可以讓小鼠產(chǎn)生幻覺(jué)。多少個(gè)神經(jīng)元能讓人類(lèi)產(chǎn)生幻覺(jué)？
研究人員們指出，只需大約20個(gè)神經(jīng)元，就足以讓小鼠“腦補”出畫(huà)面，這一數字之少，令人驚訝。過(guò)去，我們常常以為出現幻覺(jué)是一種很罕見(jiàn)的現象。而這一研究則表明，從神經(jīng)學(xué)機理上看，出現幻覺(jué)所需的神經(jīng)元并不多。“如果只需要20個(gè)神經(jīng)元就能創(chuàng )造出感知，那為何我們沒(méi)有整天都出現幻覺(jué)？”Deisseroth教授補充道。在他看來(lái)，這或許是由于哺乳動(dòng)物的皮層同時(shí)具有高度的靈敏性和特異性。一方面，它能對于極少的神經(jīng)元作出反應；另一方面，它不容易受信號噪音的影響，因此不容易被干擾。
綜合來(lái)看，這項研究指出在小鼠腦中，僅需激活少量神經(jīng)元，就可以讓其作出相應的反應。這一發(fā)現在人類(lèi)中是否可以重現，還值得進(jìn)一步的探究。如果可以，那么我們將更好地了解與幻覺(jué)相關(guān)的**疾病背后的機理。
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