Nature：科學家成功操縱動物神經系統

在尋求大腦將感覺輸入信號轉變為行為機制的理解中，哈佛大學的科學家們跨過了一個重要的門檻。利用靶向的激光，研究人員控制了一個動物的大腦，命令它按他們選擇的任何方向轉動，甚至輸入假的感覺信息欺騙動物，讓它以為食物就在附近。

在這篇發表在9月23日《自然》（Nature）雜志上的論文中，由分子和細胞生物學及應用物理學助理教授Sharad Ramanathan的研究小組描述他們通過操縱秀麗隱桿線蟲“腦部”的神經元對其進行了控制。

Ramanathan說這項工作非常重要，因為通過在相對簡單的動物（線蟲只有302個神經元）中控制復雜行為，我們能夠了解它的神經系統是如何發揮功能的。

Ramanathan說：“如果我們能夠了解簡單的神經系統到*控制它們的程度，那么或許有可能我們能夠獲得對更復雜系統的全面了解。這為我們提供了一個框架思考神經回路，如何操縱它們，其中操控了哪條回路，生成了哪些活動模式。”

他補充說：“在文獻中極其重要的工作側重在除去神經元，或研究影響神經元功能的突變以及繪制整個神經系統的連接。這些方法大多數是通過破壞來發現特異行為所必需的神經元。我們一直試圖解答的問題是：不破壞系統來了解它，我們能否實質上劫持這些足以控制行為的關鍵神經元，并利用這些神經元來迫使動物完成我們所想的事情?”

在Ramanathan和他的研究小組開始解答這一問題之前，他們還需要克服一些技術挑戰。

利用遺傳工具，研究人員對神經元發出熒光的線蟲進行了遺傳工程操作，使得可在實驗過程中對它們進行追蹤。研究人員還改變了線蟲的基因使神經元對光線敏感，這意味著它們可以用激光脈沖激活。

zui大的挑戰是開發追蹤線蟲所需的硬件以及在一秒鐘內靶向準確的神經元。

他解釋說：“我們的目標是只激活一個神經元。這非常具有挑戰性因為動物在移動，神經元密集地聚集在頭部附近，因此獲得動物的圖像，處理這一圖像，識別神經元，追蹤動物，定位你的激光并射向特異神經元——在20毫秒內或每秒大約50次完成所有的事情是一個挑戰。當我們開始時工程操作的挑戰似乎是不能克服的，但Askin Kocabaszui終發現了克服這些挑戰的途徑。”

研究人員zui終開發的系統利用了一種可移動的工作臺使得爬行的線蟲置于一條相機和激光下。Ramanathan說他們還定制了計算機硬件和軟件確保了系統能夠以他們需要的瞬間速度運作。

他說zui終的結果系統不僅能夠控制線蟲的行為，還能控制它們的感覺。在論文描述的一項測試中，研究人員利用該系統欺騙線蟲大腦相信食物就在附近，導致它徑直朝著幻想的食物爬去。

展望未來，Ramanathan和他的研究小組計劃探究該系統能夠在線蟲中控制的其他行為。其他努力包括設計新的相機和計算機硬件以將系統從20毫秒提速到1毫秒。速度提高將允許他們在更為復雜的動物如斑馬魚中測試該系統。

Ramanathan 說：“通過操縱這種動物的神經系統，我們能夠讓其左轉，我們能夠讓其右轉，我們能夠讓它轉圈，我們能讓它以為附近就有食物。我們希望了解這種只有幾百個神經元的動物大腦，*且實質上將它轉變為一種視頻游戲，在游戲中我們能夠控制它所有的行為。”

原文摘要：

Controlling interneuron activity in Caenorhabditis elegans to evoke chemotactic behaviour

Animals locate and track chemoattractive gradients in the environment to find food. With its small nervous system, Caenorhabditis elegans is a good model system1, 2 in which to understand how the dynamics of neural activity control this search behaviour. Extensive work on the nematode has identified the neurons that are necessary for the different locomotory behaviours underlying chemotaxis through the use of laser ablation3, 4, 5, 6, 7, activity recording in immobilized animals and the study of mutants4, 5. However, we do not know the neural activity patterns in C. elegans that are sufficient to control its complex chemotactic behaviour. To understand how the activity in its interneurons coordinate different motor programs to lead the animal to food, here we used optogenetics and new optical tools to manipulate neural activity directly in freely moving animals to evoke chemotactic behaviour. By deducing the classes of activity patterns triggered during chemotaxis and exciting individual neurons with these patterns, we identified interneurons that control the essential locomotory programs for this behaviour. Notably, we discovered that controlling the dynamics of activity in just one interneuron pair （AIY） was sufficient to force the animal to locate, turn towards and track virtual light gradients. Two distinct activity patterns triggered in AIY as the animal moved through the gradient controlled reversals and gradual turns to drive chemotactic behaviour. Because AIY neurons are post-synaptic to most chemosensory and thermosensory neurons8, it is probable that these activity patterns in AIY have an important role in controlling and coordinating different taxis behaviours of the animal.