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未来科学家或可利用激光控制人类大脑

  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。

未来科学家或可利用激光控制人类大脑

光控大脑成为现实

  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?

未来科学家或可利用激光控制人类大脑

未来科学家或可利用激光控制人类大脑

  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。

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