Wissenschaftler stimulieren die Neuronen zu induzieren, insbesondere die Wahrnehmung in Mäusen die Köpfe

Halluzinationen sind gruselig, zum Glück, ziemlich selten. Aber eine neue Studie schlägt vor, die eigentliche Frage ist nicht so sehr, warum manche Menschen zuweilen erleben Sie. Es ist, warum alle von uns sind nicht halluziniert die ganze Zeit.

In der Studie der Stanford University School of Medicine Forscher stimulierten Nervenzellen in der Sehrinde von Mäusen zu induzieren, eine illusorische Bild in der Tiere Verstand. Brauchten die Wissenschaftler zu stimulieren, eine überraschend kleine Zahl von Nervenzellen, oder Neuronen, um zu generieren, die Wahrnehmung, die verursacht die Mäuse Verhalten sich in einer bestimmten Art und Weise.

„Zurück im Jahr 2012, hatten wir beschrieben die Möglichkeit der Steuerung der Aktivität von individuell markierten Neuronen, die in einem wach, wachsam Tier“, sagte Karl Deisseroth, MD, PhD, professor von Biotechnik und der Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften. „Jetzt, zum ersten mal, wir haben vorantreiben können, diese Fähigkeit zur Steuerung mehrerer individuell angegebenen Zellen auf einmal, und machen ein Tier wahrnehmen, dass etwas bestimmtes in der Tat nicht wirklich gibt-und sich entsprechend zu Verhalten.“

Die Studie, veröffentlicht online-18. Juli in der Wissenschaft, hält die Auswirkungen für die Erlangung eines besseren Verständnisses der natürlichen Informationsverarbeitung im Gehirn, sowie psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie, und weist auf die Möglichkeit der Gestaltung von neuronalen Prothesen mit single-cell-Auflösung.

Deisseroth ist die Studie leitende Autor. Führen die Urheberschaft wird gemeinsam von Wissenschaftlern James Marshel, PhD, und Sean Quirin, PhD; graduate student Yoon Seok Kim; und Postdoc-Wissenschaftler Timothy Machado, PhD.

Mithilfe der optogenetik

Deisseroth, der ein Howard Hughes Medical Institute investigator und hält die D. H. Chen Professur, Pionier für die optogenetik, eine Technologie, die Forscher zu stimulieren, insbesondere Neurone in frei beweglichen Tieren mit Impulse des Lichtes, und zu beobachten, die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Tiere, die Gehirnfunktion und Verhalten.

In der neuen Studie, Deisseroth und seine Kollegen setzten eine Kombination der beiden Gene in einer großen Anzahl von Neuronen im visuellen Kortex von Labor-Mäusen. Ein gen kodiert ein lichtempfindliches protein, das verursacht das neuron zu feuern in Reaktion auf einen Puls von Laserlicht von einem eng begrenzten Farbe-in diesem Fall, in dem Infrarot-Spektrum. Das andere gen kodiert ein fluoreszierendes protein, das leuchtete grün, wenn das neuron aktiv war.

Die Wissenschaftler erstellten Schädel-windows in den Mäusen, indem ein Teil der Tiere‘ Schädel zu entlarven Teil des visuellen Kortex, die in beiden Mäusen und Menschen ist verantwortlich für die Verarbeitung der übermittelten Informationen von der Netzhaut. Die Ermittler geschützt in diesem exponierten Bereich mit einer klaren Glas-Abdeckung. Sie könnte dann mit einem Gerät entwickelt wurde Sie für den Zweck der Studie zu Projekt Hologramme — drei-dimensionalen Konfigurationen gezielter Photonen — auf, und in den visuellen cortex. Diese Photonen landen würde, auf präzise spots entlang bestimmter Neuronen. Die Forscher konnten beobachten das resultierende Aktivität von fast allen einzelnen Neuronen in zwei verschiedenen Schichten der Großhirnrinde überspannt ungefähr 1 Quadratmillimeter und enthält in der Größenordnung von mehreren tausend Neuronen.

Mit Ihren Köpfen fest in eine bequeme position, die Mäuse, die gezeigt wurden, random-Serie, horizontale und vertikale Balken auf einem Bildschirm angezeigt. Der Forscher beobachtet und aufgezeichnet, welche Neuronen in der exponierten visuellen Kortex wurden bevorzugt aktiviert durch die eine oder die andere Orientierung. Aus diesen Ergebnissen konnten die Wissenschaftler identifizieren, verstreuten Populationen von einzelnen Neuronen, die waren „getunt“, um entweder eine horizontale oder vertikale displays.

Sie waren dann in der Lage, „play-back“ diese Aufnahmen in form von Hologrammen, die produzierten spots von Infrarot-Licht auf nur Neuronen, waren empfänglich für horizontalen oder vertikalen Balken. Die daraus resultierende nachgeschalteten neuronalen Aktivität, auch an Orten, die relativ weit von der stimulierten Neuronen, war ganz ähnlich der, die beobachtet wird, wenn die Natürliche Reiz-eine schwarze horizontale oder vertikale Balken auf einem weißen hintergrund-das war es, auf dem Bildschirm angezeigt.

Die Wissenschaftler trainierten den Mäusen lecken am Ende von einem nahe gelegenen Rohr für Wasser, wenn Sie sah einen vertikalen Balken, nicht aber, wenn Sie sah eine horizontale oder sahen weder. Im Laufe von mehreren Tagen, als die Tiere‘ Fähigkeit, zu unterscheiden zwischen horizontalen und vertikalen Balken verbessert die Wissenschaftler nach und nach reduziert die schwarz-weiß-Kontrast machen die Aufgabe immer schwieriger. Sie fanden, dass die Mäuse Leistung spitzte die Ohren, wenn die Wissenschaftler ergänzt der visual-displays mit gleichzeitiger optogenetische stimulation: Zum Beispiel, wenn ein Tier die Leistung verschlechterte sich als Folge der herabgesetzten Kontrast, die Ermittler konnten eine Steigerung Ihrer Diskriminierung Befugnisse durch Stimulation von Neuronen, die zuvor identifizierten bevorzugt angeordnet, um das Feuer in der Antwort auf eine horizontale oder vertikale Leiste.

Diese Steigerung erfolgte nur, wenn die optogenetische stimulation wurde in übereinstimmung mit der visuellen stimulation-zum Beispiel eine vertikale Balkenanzeige plus stimulation von Neuronen, die zuvor identifiziert und als wahrscheinlich feuern in Reaktion auf vertikal ausgerichteten Balken.

Mäuse, die halluziniert

Sobald die Mäuse hatten sich geschickt in der Unterscheidung zwischen horizontalen und vertikalen Balken, die Wissenschaftler waren in der Lage zu induzieren Rohr-lecken-Verhalten in den Mäusen, die einfach durch die Projektion der „vertikalen“ holographische Programm auf die Mäuse visual cortex. Aber die Mäuse würden nicht lecken die tube, wenn die „horizontale“ Programm projiziert wurde, statt.

„Nicht nur die tierischen tun das gleiche, aber das Gehirn ist auch“ Deisseroth sagte. „So wissen wir, dass wir entweder die Wiederherstellung des natürlichen Wahrnehmung oder etwas zu schaffen, was eine ganze Menge wie Sie.“

In Ihrer frühen Experimente hatten die Forscher entdeckten zahlreiche Nervenzellen, die optimiert werden, um entweder eine horizontale oder eine vertikale Ausrichtung, aber Sie hatten noch nicht direkt stimuliert, jedes von denen bestimmte Nervenzellen optogenetically. Sobald die Mäuse wurden trainiert, optogenetische stimulation der kleinen Anzahl dieser Neuronen war genug, um Mäuse zu reagieren mit entsprechenden lecken oder nonlicking Verhalten.

Die Forscher waren überrascht zu finden, dass optogenetically Stimulierung etwa 20 Neuronen, — oder weniger, in einigen Fällen — nur für das empfänglich für die richtige Orientierung, produzieren kann die gleiche neuronale Aktivität und Verhalten der Tiere, dass die Anzeige des vertikalen oder horizontalen Leiste haben.

„Es ist schon bemerkenswert, wie wenige Neuronen, die Sie benötigen, gezielt zu stimulieren, in einem Tier zu erzeugen, eine Wahrnehmung,“ Deisseroth sagte.

„Gehirn einer Maus hat Millionen von Neuronen; ein menschliches Gehirn viele Milliarden“, sagte er. „Wenn nur 20 oder so erstellen kann, eine Wahrnehmung, warum sind wir dann nicht halluziniert die ganze Zeit, durch falsche zufällige Aktivität? Unsere Studie zeigt, dass die Säuger Kortex ist irgendwie bereit zu reagieren, um eine erstaunlich geringe Anzahl von Zellen, ohne dass störende Wahrnehmungen in der Reaktion auf Lärm.“

Deisseroth ist Mitglied des Stanford-Bio-X und der Wu Tsai Neurosciences Institute in Stanford.

Stanford Office of Technology Licensing hat ein patent für geistiges Eigentum im Zusammenhang mit der Arbeit.

Die Arbeit wurde finanziert von der Defense Advanced Research Projects Agency, HHMI, die Nationalen Institute der Gesundheit (Zuschüsse R01MH075957 und P50DA042012), die Simons Foundation, die Familie Wiegers Fonds, die Nancy und James Grosfeld Stiftung, die Sam und Betsy Reeves Fonds, die H. L. Snyder-Stiftung, der Burroughs-Wellcome-Stiftung, die McKnight-Stiftung, die James S. McDonnell Foundation und der Swartz Foundation.