科学家们第一次近距离观察被刺激的大脑
(PhysOrg.com)——一个多世纪以来，科学家们一直在使用电刺激来探索和治疗人类大脑。这项技术有助于识别负责特定神经功能的区域，例如运动皮层和快乐中枢，并已被用于治疗从帕金森病到抑郁症的各种疾病。然而，没有人能够看到当大脑被电刺激时，在细胞水平上究竟发生了什么。
现在，在光学成像在这项技术的帮助下，英国皇家医学院神经生物学教授克雷·里德实验室的研究人员首次看到了这一过程。他们发现神经反应电流并不是局部的，就像一些人之前认为的那样。这还不是全部神经元当电荷传递时，电极周围立即起火。相反，一组分散而广泛分布的神经元启动了。这些研究结果将发表在8月27日的《神经元这项研究有望结束长期以来关于神经元如何对电刺激做出反应的争论。
传统上，在电刺激过程中观察神经元是有问题的。第一作者Mark Histed是Reid实验室的博士后，他解释说:“当你用电刺激时，你使用的是相对较高的电压，这些高电压几乎不可能记录神经元产生的非常小的电流。”
为了避开这一障碍，希斯特德、里德和博士后文森特·博宁使用了一种相对较新的光学成像形式，称为双光子显微镜。这项技术让他们得以追踪钙暴露在电刺激下的小鼠神经元的水平。当钙含量增加时，一种被引入组织的化学物质就会变亮。由于每次神经元放电时钙含量都会飙升，研究小组可以看到神经元每次被激活时都在闪烁。更重要的是，他们可以监测哪些神经元被触发。
赫斯特德说，这些发现与一个长期存在的假设背道而驰。“一个先前的理论是，在低电流下，电极周围一个小球中的神经元会被激活，如果你增加电流，一个更大的球会被激活，但你仍然只会激活那个球中的细胞。我们所展示的是，即使在最低的电流下，很远的地方也有细胞被激活，所以它不仅仅是电极尖端周围的一个小球，它的大小会增加，而是随着电流的增加，一个非常大的、稀疏的图案会填充起来。”
研究人员怀疑这种稀疏分布的激活模式的结果是因为实际上是轴突(神经细胞中传输电信号的细长纤维)受到刺激，而不是细胞体。为了证明这一点，他们移动了电极尖端距离第一次刺激部位10微米。这个距离比一个神经细胞的宽度还小。里德说，“你可能会猜，同样的神经元会被点亮。但事实上，同样数量的神经元被点亮，但它们是完全不同的神经元，这确实向我们证明了一个假设，我们被兴奋的只是神经过程的一个小球，而不是神经元。我们认为我们刺激了10微米球体中的轴突。”
Histed把神经团比作一盒松开的悠悠球。如果你把一支铅笔插进那个盒子里，笔尖只会碰到几根弦。沿着这些字符串一直到它们各自的磁盘，您将只“激活”几个打结堆中分散的溜溜球。将笔尖移动四分之一英寸，它就会接触到一组完全不同的弦，导致一组完全不同的身体。
研究人员认为，这项研究确立了光学成像作为任何涉及脑电刺激的科学和临床研究的重要工具。里德希望它也将“在理解、合理化和设计神经假体方面非常重要”。这种假肢已经被用于治疗耳聋和运动障碍，里德的实验室自己也进行了使用电刺激恢复视力的研究。这项研究，通过阐明如何电刺激在细胞水平上作用于大脑，可能会导致该领域早期研究的重新解释和改进，并可能有助于指导实验。
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