今日《科学》:你所见的世界,它真的存在吗?

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   ▎学术 经纬 /报道

  科学在走近未知的边界时,总会带有一些哲学的味道。今天在线发表于《科学》杂志上的一篇论文,就很好地向我们诠释了这一点。来自斯坦福大学(Stanford University)的科研团队找到了一种刺激小鼠大脑、模拟视觉感知的方法。他们指出, 只需要简单激活20个神经元,小鼠就会“看到”不存在的东西,并改变自己的行为!

  

  要知道,小鼠大脑里的神经元高达数百万个。 如果只激活其中20个就能让小鼠出现幻觉,那我们怎么知道所见的世界是真实存在的现实,还是神经元意外激活带来的虚幻? 这个问题细思恐极。

  本研究的负责人是“光遗传学”的先驱之一Karl Deisseroth教授。 昨日,他刚刚由于在这一领域的卓越贡献,斩获了2019年的 沃伦·阿尔珀特奖 。今日刊登在顶尖学术期刊上的这篇重量级研究,再次证实了光遗传学的巨大应用价值。

  

  ▲本研究负责人是光遗传学先驱之一Karl Deisseroth教授(图片来源: 斯坦福大学)

  先来说说光遗传学。它的原理其实很简单——神经活动源自神经元的活跃,而光遗传学则是利用基因改造的方法,给神经元装上了“开关”。 利用特殊波长的光,我们能够操纵特定神经元的开启和关闭,从而控制神经活动。 作为神经生物学家的重要研究工具,它让我们得以了解动物行为背后的生物学机理。

  为了研究小鼠的视觉感知会如何影响行为,研究人员们首先在小鼠视觉皮层的大量神经元里引入了一种绿色荧光蛋白。一旦神经元被激活,它就会发出绿色荧光。随后,他们让小鼠观看两种不同的条纹图案,一种是水平方向,一种是垂直方向。由于这两种图案并不相同,因此小鼠视觉皮层里被激活的神经元也有着区别。 根据大脑里发出的绿色荧光,研究人员们找到了分别只会对“横条纹”和“竖条纹”作出反应的神经元。

  

  ▲科学家们找到了只对竖条纹或横条纹起反应的神经元(图片来源: 参考资料[1])

  在视觉皮层内,这支团队还引入了光遗传学的“开关”。 理论上讲,如果针对上文中找到的这些神经元进行刺激,小鼠就会出现看到相应图案的神经活动。 也就是说,即便它们没有真的看到这些条纹图案,也会产生看到图案的幻觉。

  这一猜测得到了实验的证实!

  在这项精心设计的实验中,科学家们训练小鼠对不同的图案作出不同的反应—— 当它们看到竖条纹时,就会去喝水 ;而看到横条条纹,或是什么都没有看到时,则不会有喝水的动作。

  之后,科学家们逐渐降低了图案的对比度,让它们看起来不是那么清晰。果不其然,小鼠的识别能力出现了下降,根据图案作出正确行为的比例也有所下滑。有趣的是,如果在看到低对比度的竖条纹时,再同时刺激那些相应的神经元,就可以增强小鼠的喝水行为。

  换句话说,就算实际上没看清,对神经元的刺激也会让小鼠感觉自己“看清”了条纹。

  

  ▲经过不断训练后,相比真实的视觉刺激(黑色),虚拟的大脑刺激(红色)可以达到类似的准确率(图片来源: 参考资料[1])

  更令人惊讶的是,当这些小鼠已经能够纯熟地根据横条纹或竖条纹作出喝水的动作之后, 即便是身处伸手不见五指的黑暗之中,仅仅通过刺激“竖条纹神经元”,就足以让它们产生幻觉,随即去喝水。 相反,如果刺激的是“横条纹神经元”,小鼠就不会作出这样的反应。

  “这些小鼠不仅做了(和看到实际图案)同样的事情,它们的大脑也有同样的反应,” Deisseroth教授说道:“所以我们知道,这要么重新创造了小鼠的自然感知,要么是创造了与自然感知很接近的东西。”

  

  ▲区区20个神经元就可以让小鼠产生幻觉。多少个神经元能让人类产生幻觉?( Credit: Sean Quirin, James Marshel, Cephra Raja, and Karl Deisseroth, Stanford University)

  研究人员们指出, 只需大约20个神经元,就足以让小鼠“脑补”出画面,这一数字之少,令人惊讶。 过去,我们常常以为出现幻觉是一种很罕见的现象。而这一研究则表明,从神经学机理上看,出现幻觉所需的神经元并不多。“ 如果只需要20个神经元就能创造出感知,那为何我们没有整天都出现幻觉? ”Deisseroth教授补充道。在他看来,这或许是由于哺乳动物的皮层同时具有 高度的灵敏性和特异性 。一方面,它能对于极少的神经元作出反应;另一方面,它不容易受信号噪音的影响,因此不容易被干扰。

  综合来看,这项研究指出在小鼠脑中,仅需激活少量神经元,就可以让其作出相应的反应。这一发现在人类中是否可以重现,还值得进一步的探究。如果可以,那么我们将更好地了解与幻觉相关的精神疾病背后的机理。

  参考资料:

  [1] James H. Marshel et al., (2019), Cortical layer–specific critical dynamics triggering perception, Science, DOI: 10.1126/science.aaw5202

  [2] Stanford team stimulates neurons to induce particular perceptions in mice's minds, Retrieved July 18, 2019, from http://med.stanford.edu/news/all-news/2019/07/stanford-team-stimulates-neurons-to-induce-particular-perception.html

  [3] Milbank QuarterlyHallucinations implanted in mouse brains using light, Retrieved July 18, 2019, from https://www.nature.com/articles/d41586-019-02220-4

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