Dodano: 22 lipiec 2019r.

Naukowcy wywołali halucynacje za pomocą światła

Przy pomocy stymulacji komórek nerwowych w korze wzrokowej naukowcy wywołali halucynacje u myszy. Do wywołania złudnego obrazu w umysłach zwierząt uczeni musieli pobudzić zaskakująco małą liczbę neuronów.

 

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda poprzez dokładne celowanie w określone neurony za pomocą lasera oszukali myszy powodując, że gryzonie zobaczyły coś, czego w rzeczywistości nie było i zachowywały się w określony sposób.

Prace kierowane przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda mogą mieć wiele zastosować, ale przede wszystkim mogą doprowadzić do lepszego zrozumienia tego, w jaki sposób mózg interpretuje i reaguje na to, co widzą oczy. Głębsze poznanie przetwarzania informacji w mózgu może poprawić także zrozumienie niektórych zaburzeń, takich jak schizofrenia.

 

Badania z wykorzystaniem optogenetyki do stworzenia specyficznej percepcji wizualnej zostały opublikowane na łamach pisma „Science”.

- W 2012 roku opisaliśmy możliwość kontrolowania aktywności indywidualnie wybranych neuronów u zwierząt - powiedział Karl Deisseroth. - Teraz udało nam się rozwinąć tę zdolność do kontrolowania wielu indywidualnie określonych komórek na raz i sprawić, by zwierzę postrzegało coś konkretnego, co w rzeczywistości tak naprawdę nie istnieje i odpowiednio się zachowywało – dodał.

Autorzy badania zastosowali technologię znaną jako optogenetyka, która kontroluje poszczególne neurony w mózgu za pomocą impulsów światła. Dzięki temu uczeni mogą obserwować, jak zmienia się funkcjonowanie mózgu zwierząt i ich zachowanie. Myszy zostały uprzednio zmodyfikowane tak, by ich neurony wytwarzały światłoczułe białko.

Deisseroth i jego koledzy wprowadzili kombinację dwóch genów do dużej liczby neuronów w korze wzrokowej myszy laboratoryjnych. Jeden gen kodował białko wrażliwe na światło, które reagowało w odpowiedzi na impuls światła laserowego o wąsko określonym kolorze - w tym przypadku w widmie podczerwieni. Drugi gen kodował białko fluorescencyjne, które świeciło na zielono, gdy neuron był aktywny.

Następnie naukowcy usunęli część czaszki nad korą wzrokową u każdej z badanych myszy. Kora wzrokowa jest odpowiedzialna za przetwarzanie informacji przekazywanych z siatkówki. Usunięty fragment czaszki zastąpili przezroczystą powłoką, tworząc coś na kształt okna do obserwacji mózgu zwierzęcia. Przy zastosowaniu specjalnie opracowanego urządzenia naukowcy mogli monitorować aktywność prawie wszystkich pojedynczych neuronów w dwóch różnych warstwach kory mózgowej obejmujących około 1 milimetr kwadratowy i zawierających kilka tysięcy neuronów.

Gryzoniom unieruchomiono głowy i pokazywano im losowo szereg poziomych i pionowych pasków wyświetlanych na ekranie. Naukowcy zaobserwowali, które neurony w korze wzrokowej były aktywowane przez jedną lub drugą orientację. Na podstawie tego byli w stanie zidentyfikować rozproszone populacje poszczególnych neuronów, które zostały „dostrojone” do poziomych lub pionowych obrazów wizualnych.

Myszy zostały uprzednio przeszkolone, aby piły z pobliskiej rurki z wodą, gdy zobaczą pionowe paski. Badaczom udało się ostatecznie zidentyfikować około 20 komórek, które wydawały się być konsekwentnie związane z wizualizacją pionowego paska. Aby stworzyć halucynacje, naukowcy oświecili laserem przez wcześniej wycięte „okno” w czaszce tylko te neurony. To spowodowało, że myszy piły wodę, jakby widziały pionowe paski, mimo że siedziały w ciemności.

- Wiemy, że albo odtwarzamy naturalną percepcję, albo tworzymy coś bardzo podobnego – przyznał Deisseroth.

W początkowych eksperymentach naukowcy zidentyfikowali liczne neurony jako dostrojone do orientacji poziomej lub pionowej. Po wyszkoleniu myszy wystarczyła stymulacja optogenetyczna niewielkiej liczby tych neuronów, aby myszy zareagowały odpowiednim zachowaniem. To odkrycie zaskoczyło uczonych. Pobudzanie tylko 20 neuronów, a w niektórych przypadkach nawet mniejszej liczby, może wytworzyć tę samą aktywność neuronalną i zachowanie zwierząt, co pokazanie pionowego lub poziomego paska.

- To niezwykłe, jak niewiele neuronów trzeba stymulować u zwierzęcia do generowania percepcji. Mysi mózg ma miliony neuronów; ludzki mózg ma wiele miliardów. Jeśli zaledwie 20 może stworzyć percepcję, to dlaczego nie mamy halucynacji przez cały czas z powodu fałszywej aktywności losowej? - powiedział Deisseroth.

Badacz wytłumaczył, że komórki w korze wzrokowej są tylko częścią tego, co mózg wykorzystuje do postrzegania i interpretowania obrazu. Inne obszary mózgu połączone z korą wzrokową oceniają znaczenie obrazu, umieszczając go w kontekście. W niektórych przypadkach, na przykład w snach, mózg może generować obrazy bez żadnego wpływu oczu.

Podobne podejście może pozwolić naukowcom na tworzenie innych rodzajów percepcji, takich jak zapachy, dotyk i smaki. Metoda ta może również pozwolić naukowcom kontrolować zespoły neuronów, które biorą udział w bardziej złożonych zadaniach mózgu.

Kolejnym wyzwaniem dla zespołu Stanforda będzie określenie, w jaki sposób neurony wykrywające określone obrazy łączą się z obszarami mózgu, które interpretują znaczenie informacji wizualnej.

 

Źródło: Stanford Medicine, Nature, fot. Pixabay