光遗传学揭示大脑如何产生感知

来源：逻辑神经科学

在大规模和精细尺度上监测大脑活动有助于我们了解大脑的复杂性，这些复杂性表现在大脑如何对外部世界作出反应和呈现。

尽管，一些研究表明，大脑活动模式的许多特征（比如哪些大脑细胞被激活，什么时候被激活）与外部感知世界的变化有关，但是，我们尚不清楚哪些活动特征是感知的结果，以及它们是如何结合起来产生感知的【1-3】。另外，一些研究也表明，许多与活动相关的变化可能是多余的，或甚至是一种附带现象【4-5】。

美国纽约大学神经科学中心和朗格尼健康中心的Dmitry Rinberg教授实验室长期致力于嗅觉、神经元、嗅球、嗅觉感知和嗅觉通路等方面的研究。

在于2020年6月19日以Manipulating synthetic optogenetic odors reveals the coding logic of olfactory perception为题在线发表在Science上的研究文章中，他们详细关注了其中的一个重大科学问题，即大脑是如何产生感知的。

为了很好地回答这一问题，研究者则直接且系统性地操纵了老鼠嗅觉系统的神经活动，并测量了感知反应。这是基于老鼠嗅觉是一个很有吸引力的模型系统，且相关的脑回路已经被详细描绘出来，因此，老鼠嗅觉更加便于操作和研究。

同时，作者对OMP-ChR2-YFP转基因杂合子小鼠（实验组）和B6(Cg)-Tyrc2J/J (albino B6)小鼠（对照组）进行了光遗传学（optogenetics）技术操作，简言之，只要在老鼠身上照射光，脑细胞就会被激活。因此，光遗传学能够允许我们以一个精确和参数的方式来直接产生和操纵大脑活动。

首先，研究者训练老鼠在嗅觉系统中识别光驱动的活动模式，即“合成气味”模式（“synthetic odor” pattern）。随后，研究者测量了小鼠学习活动模式操作过程中认知能力是如何发生变化的。相关操作致使小鼠出现更大的认知变化，而变化的程度则反映了每个操作特征对感知的重要性。其次，通过同时操作多个特征，研究者则可以精确量化单个特征是如何结合起来产生感知的。

对于文章结果而言，首先，研究者发现，小鼠的感知反应不仅取决于哪些细胞被激活，还取决于此类细胞的激活潜伏期，即时间序列（类似于旋律中的定时音符）。作者格外注意到，最具感知相关性的激活潜伏期与一种特定时间系列中的某些细胞（比如嗅球内僧帽细胞（mitral tufted cells））相关，而与大脑或身体节律（比如动物的嗅探）不相关，这与之前的一些结果不相一致【6-7】。

其次，作者发现，在时间序列中，被较早激活的细胞对行为反应有较大的影响，且对序列中后来的细胞进行修饰，但是效果很小。

那么，为了进一步解释上述所有的结果，作者则制定了一个基于模板匹配的简单计算机模型，将新的活动序列与已学习序列或模板进行比较。该模型进一步衡量了每个序列中的相对时间，也说明了更早激活细胞的重要性。

最后，基于上述模型，新序列和已学习模板之间的不匹配程度则预测了在许多不同操作中神经活动发生变化时的识别能力下降的程度。

用合成气味探测嗅觉感知（A）通过训练老鼠来识别合成气味模式：即人为性的刺激嗅球中的神经活动，并在空间尺度（右上）和时间尺度（右下）上定义这些模式。（B）通过对训练模式的系统性操作来测量感知反应。（C）模式活动的模板匹配模型（左）解释感知反应（右）。

其次，利用这个框架，作者揭示了嗅觉系统对神经活动产生知觉的关键计算模式，并推导出了与感知直接相关的嗅觉加工的具体模型。

而且该框架形成了一个强大的且通用的方法，用于测量大脑活动和感知或行为之间的因果联系。

此外，当考虑到后续发展的先进工具，在不同的脑区进行精细且大规模操纵大脑活动时，这个框架是特别相关的，且有借鉴和指导意义。