2021年11月6至7日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所成立十周年庆典暨北京大学脑科学国际论坛成功举办。来自美国哈佛大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、英国伦敦大学学院、德国马普研究所、日本筑波大学、北京师范大学、中科院脑智卓越创新中心等国内外高校和科研机构的知名学者，从分子、细胞、环路、系统、认知、心理、计算、神经精神疾病等多个层面和角度，热情分享了他们在脑科学前沿研究的最新进展，并与线上线下观众频繁互动，在思维的碰撞中激荡出创新的火花。现陆续推出相关学术笔记，让我们重温精彩再出发！

　　本期推出的学术笔记，根据伦敦大学学院（University College London）Michael Hausser教授，所作的题为“Forging causal connections between neural circuit activity and behaviour”的学术报告整理而成。

　　Michael Hausser教授作学术报告并与嘉宾观众交流

　　撰稿：曹嘉明

　　审核：于佳宁

　　记录和操纵是研究神经元及神经环路功能的两个重要手段。Michael Hausser团队开发了“全光学 (All-Optical)”工具，将双光子成像技术与光遗传学技术相结合，在记录神经元活动的同时操纵特定功能的神经元，更好的研究神经元活动和动物行为的因果关系。

　　该方法通过在目标神经元中表达基因编码的钙离子探针，如GCaMP6，结合双光子成像技术记录神经元的活动。操纵层面，通过表达适合于双光子激活的光敏通道C1V1，对特定的神经元类群进行激活。双光子激发需要很高的光子密度，只会发生在物镜的焦点上，极大的提高了光遗传操纵的空间分辨率，从而可以将激活范围控制在特定的神经元而不激活周围的神经元。在此基础上，结合可编码特定激发模式的空间光调制器，实现同时对一类功能相似的神经元进行激活。

　　运用“全光学”手段，Michael Hausser团队研究了不同脑区神经元活动与动物行为的因果关系。

　　桶状皮层被认为与啮齿动物的胡须感觉有关。在这一脑区，Michael Hausser团队希望研究一个经典的问题，能够引起动物感觉的最少神经元数量是多少？他们在小鼠神经元中表达GCaMP6s和C1V1，并特异性激活桶状皮层2/3层的锥体神经元。小鼠被训练完成一个go/catch范式的任务，在go试次中，会有激光激活小鼠桶状皮层神经元，此时小鼠舔舐出水管就可以获得奖励。而在catch试次中，没有光刺激，此时小鼠舔舐出水管无法获得奖励。团队最先使用单光子激光对桶状皮层一个区域的神经元进行激活（这种手段可以激活大量的神经元），训练小鼠掌握范式，同时记录该区域神经元活动。在小鼠掌握了范式后，团队将单光子激发转为双光子激发，选择性的激活200个神经元。发现在双光子激活的试次中，被试动物具有和单光子刺激相同的正确率和反应时。说明少量神经元的激活就可以引起动物感觉上的差异。

　　在此基础上，团队进一步减少双光子激活的神经元数量，从200个分梯度依次降低最少只激活5个神经元。发现随着刺激神经元数量的减少，动物能够做出正确反应的比例逐渐降低，二者之间的关系如图1所示。通过拟合得到的心理测量函数估计，当激活的神经元数量超过14个时动物就可以产生感知，而当激活的神经元数量到达约37个时，动物的正确率接近饱和，可以产生明确的感觉。此外，这一心理测量函数会随着动物熟练程度的进行不断变化，在使用30个相同神经元进行双光子激活的测试中，动物的正确率随着训练天数的增加的不断提高。表明动物的感觉敏感性具有可塑性且可以随着训练不断进步，在另一项视觉皮层的研究中也得到了类似的结论。

　　图1 激活神经元数量与动物做出正确反应的心理测量函数(Dalgleish et al., 2020)

　　在视觉皮层的研究中，Michael Hausser团队希望通过光刺激来影响正在进行的感觉过程。团队在小鼠初级视觉皮层的神经元中表达GCaMP6和C1V1。被试小鼠需要先经过一段等待期，在此期间小鼠不可以舔舐。之后会展示一段明暗交替的视觉刺激，此时小鼠舔舐就可以获得奖励，调整视觉刺激明暗条纹的对比度可以改变任务的难度。通过双光子成像记录，团队得到了视皮层不同神经元偏好的方向，后续的实验选择偏好方向相同的神经元类群进行双光子激活，同时将视觉刺激的方向设置为神经元的偏好方向。

　　团队根据瞳孔大小以及等待期视皮层神经元活动一致性将动物在完成任务时的状态分为两种。状态1表现为瞳孔放大，神经活动一致性较低，表示动物的注意力更加集中，动物处于状态1时会表现出更高的正确率。而状态2表现为瞳孔缩小，神经活动一致性较高。团队在展示视觉刺激的同时光激活视皮层特定神经元，观察其对动物感知过程的影响。发现只有当动物处于状态1注意力更加集中时，光刺激会影响动物的正确率。而光刺激对正确率的影响也会随任务难度不同发生变化，任务难度较低时光激活会降低动物的正确率而当任务难度较高时光激活可以提高动物的正确率。一种可能的解释是，任务难度较高时需要视皮层更多的参与，光激活特定类群神经元可以帮助动物更好的完成任务。而当任务难度降低时，主要参与的脑区可能转移到了别处，光激活视皮层反而对动物产生了干扰。总之，这一研究表明神经元活动和动物行为之间的关系是高度动态的，会受到动物自身状态以及任务难度的影响。

　　在最后一个研究中，Michael Hausser团队将目标转移到了海马CA1。CA1的位置细胞会在特定的空间放电，表征不同的空间环境。团队训练头部固定的小鼠在虚拟现实装置中完成空间导航任务，当小鼠处于奖励区域时舔水就可以获得奖励，被试小鼠在奖励区的舔水次数明显增加。后续团队使用双光子成像记录了在不同区域放电升高的位置细胞，筛选出在奖励区放电增加的神经元类群，并在非奖励区域光激活这一类神经元，小鼠表现出奖励区对应的行为，如舔水次数增加，如图2所示。说明位置细胞的激活可能让动物产生了位于奖励区域的错觉。

　　图2 光刺激后动物在非奖励区域舔水次数增加(Robinson et al., 2020)

　　总体来说，他们实现了选择性的刺激功能已知的神经元，为了解神经元活动和行为意义的因果关系，走出了重要的一步。

　　参考文献

　　1. Dalgleish, H.W., Russell, L.E., Packer, A.M., Roth, A., Gauld, O.M., Greenstreet, F., Thompson, E.J., and Häusser, M. (2020). How many neurons are sufficient for perception of cortical activity? eLife 9.

　　2.Robinson, N.T.M., Descamps, L.A.L., Russell, L.E., Buchholz, M.O., Bicknell, B.A., Antonov, G.K., Lau, J.Y.N., Nutbrown, R., Schmidt-Hieber, C., and Häusser, M. (2020). Targeted Activation of Hippocampal Place Cells Drives Memory-Guided Spatial Behavior. Cell 183, 2041-2042.

　　3. Russell, L.E., Yang, Z., Pei Tan, L., Fişek, M., Packer, A.M., Dalgleish, H.W.P., Chettih, S., Harvey, C.D., and Häusser, M. (2019). The influence of visual cortex on perception is modulated by behavioural state. bioRxiv, 706010.