钙成像技术记录了单个小鼠神经元的放电及其电脉冲。(图片来源：Yuste Laboratory/Columbia University) 1949年，心理学家唐纳德·赫布提出了一个关于大脑中神经元在学习过程中行为的理论——基本上，一起放电的神经元会相互连接。赫布理论认为，同时刺激一组神经元会导致这些细胞随后相互连接并形成一个群体——神经元集合。他相信，反复激活该集合会加强它们之间的连接，从而使它们都能更有效地放电。如今，赫布理论是关于学习、记忆形成和大脑可塑性的生物学解释的基础。现在，哥伦比亚大学的神经科学家们在小鼠皮层中人工生成了其中一个这样的神经元网络，这可能是对这个67年理论最清晰的证明之一。
大脑如何形成记忆
为了在小鼠中创建神经元网络，研究合著者 Luis Carrillo-Reid 使用精确的双光子激光刺激了小鼠视觉皮层中的一组神经元。光激发了经过基因改造以对光反应的神经元，并导致它们放电。1982年，神经科学家 John Hopfield 在赫布理论的基础上提出，仅刺激一个神经元就能同时触发整个集合。当 Carrillo-Reid 激活集合中的一个神经元时，它的活动触发了其余的神经元放电。人工网络似乎完全符合赫布和霍普菲尔德的预测。“我们发现的结果与这两位先生提出的完全一致，即如果你一起激发一群神经元，它们就会相互连接，如果你触发一个神经元，你就会触发整个集合，” Rafael Yuste 说，他是该团队周四发表在《科学》杂志上的论文的合著者。Yuste 将这一过程比作马塞尔·普鲁斯特《追忆似水年华》中的一个文学例子，其中一位角色品尝熟悉的蛋糕触发了一系列相关的童年记忆。“一段记忆的开端可以触发对事物的全部回忆，”他说。这是研究人员首次以高分辨率观察到模式完成以及集合中单个神经元所发生的情况。
连接神经元与行为
Carrillo-Reid 和 Yuste 都谨慎地指出，目前尚不完全清楚他们是否在小鼠大脑中人工植入了真实的记忆，或者形成这些集合是否就是大脑学习的方式——这仍然是理论。“我们发布的结果与证明这就是人类学习方式之间仍然存在一座桥梁，”Yuste 说。“尽管我们的结果非常令人兴奋，但我们并未证明这就是学习的方式。”他们的下一步是观察他们的人工神经元集合是否会改变小鼠的行为。谨慎行事 尽管对光遗传学在人脑中的应用感到兴奋已有数年，但神经科学距离创建或改变神经元集合以治疗神经系统疾病患者仍至少有十年时间。该原理足够健全，特别是对于由神经元放电异常引起的疾病，从癫痫到精神分裂症。“既然我们能够进入大脑并刻录图案，这就立刻带来了改变这些患者神经元放电模式和活动模式以纠正它们的可能性，”Yuste 说。“我本人曾受过医学训练，我非常感兴趣将其用于患者，以治愈这些目前无法触及的精神疾病。”在此之前，神经科学家需要对大脑的神经回路有更详细的了解。Carrillo-Reid 表示，他目前正参与旨在识别与神经系统疾病相关的特定集合中的异常活动模式的研究。研究人员还需要开发方法来编程和操控更大、更复杂的神经元集合。科学家们仍然不知道光遗传学对人类是否安全，并且考虑到这些方法可能会改变患者的情绪或行为，因此存在一系列伦理问题。这些问题将成为下个月在哥伦比亚大学举行的神经伦理学研讨会的议程的一部分。“是的，我们是科学家，但我们也是负责任的公民，我们希望确保在人们将其应用于人类之前，我们能够探索这些方法的困难后果，”Yuste 说。
