文章核心观点 - 加州大学圣地亚哥分校研究团队在Nature发表研究，证明靶向刺激运动皮层中约20个神经元即可驱动已习得的运动 [2][3] - 该研究证实初级运动皮层（M1）在生成已习得活动与已习得运动中发挥主动作用，而非仅仅反映由其他脑区驱动的动作 [4] - 研究结合体内双光子钙成像与全息光遗传刺激技术，实现了对神经活动的“读取”与“写入”，达到单细胞精度 [3][10] - 小鼠大脑包含约7000万个神经元，仅刺激约20个精心挑选的神经元即可驱动特定大规模脑活动及行为 [6] 研究背景与争议 - 学习新运动技能时，大脑运动皮层中会涌现出可区分的活动模式，但此前尚不清楚这些模式是生成动作的原因还是仅反映动作 [2] - 关于M1第2/3层（L2/3）神经元群体的可重复时空活动模式是否因果性地驱动已习得运动，一直存在争议 [4] - 此前神经生物学家已观察到学习特定动作时运动皮层涌现可区分活动模式，但模式化活动是在M1内部产生还是从其他脑区继承尚不明确 [2] 实验方法与技术手段 - 研究结合体内双光子钙成像与全息光遗传刺激技术，对执行熟练任务的小鼠M1 L2/3中功能定义的神经元群体进行刺激 [3] - 双光子钙成像技术用于精确观察大脑活动，全息光遗传学方法用于刺激神经元 [10] - 新技术使研究团队能够读取数百个神经元的活动，并向其中写入新的活动信号，从而实现对神经活动的控制 [11] - 研究方法可识别神经元的功能特性，然后有针对性地选择性刺激感兴趣的神经元 [11] 关键实验发现 - 对约20个在自发运动起始前即表现出活动提前的神经元（早期激活神经元）进行短暂同步刺激，可诱发与已习得运动相似的动作 [3] - 刺激早期激活神经元可在其他M1神经元中产生与已习得活动相似的模式 [3] - 光遗传触发群体活动的逐次试验变异性与所诱发运动的变异性相关，这些变异性均可由刺激前M1活动的初始状态预测 [3] - 在某些试验中，刺激仅诱发了已习得活动但未引发运动，表明已习得活动并非仅仅是运动的反映，而是可以内部产生 [3] - 在任务脱离（未参与任务）的小鼠中，刺激无法诱发运动或习得性活动 [3] - 在参与任务的小鼠中，刺激那些活动紧随运动起始之后的神经元，也无法诱发习得性运动 [3] - 能否成功产生已习得的动作，取决于刺激前运动皮层所处的状态以及被试小鼠是否专注于当前任务 [11] 研究结论与意义 - 当M1处于最佳初始状态并接收精确的触发输入时，M1 L2/3中的已习得活动即可被生成 [4] - 研究证实M1在生成已习得活动与已习得运动中发挥主动作用 [4] - 论文通讯作者小宫山贵树教授表示，仅短暂激活约20个精心挑选的神经元就能触发与某一习得动作相关的更大范围脑活动模式，并在许多情况下直接产生这一习得动作本身 [6] - 研究实现了通过神经元的记录与刺激达成一种“读心”与“控脑”效果 [4] 后续研究方向与应用前景 - 研究团队正在继续推进后续项目，旨在探究关键神经元之间的连接关系，了解这些神经元如何相互“交流”从而产生已习得的运动行为 [13] - 未来有望帮助患有各种疾病的人群，随着脑机接口技术开发以协助中风或瘫痪患者，了解运动相关神经元如何协调运作最终可能帮助诱发日常活动所需的特定动作 [13] - 未来还可利用在大脑中植入特定活动模式的技术，促进学习并恢复记忆功能 [13] 研究团队与人物背景 - 论文共同第一作者为加州大学圣地亚哥分校Qiyu Chen和吴岸，通讯作者为小宫山贵树教授 [2][6] - 吴岸来自中国安徽铜陵，15岁考入武汉大学，23岁博士毕业于迈阿密大学，此后在加州大学圣地亚哥分校进行博士后研究并担任实验室项目科学家 [4] - 吴岸于2023年3月在加拿大蒙特利尔一场火灾中不幸去世，时年31岁，她的贡献对实验室的运动学习与神经环路研究具有重要意义 [4][6] - 该研究由博士生Qiyu Chen主导，其研究基础来自吴岸之前的工作 [6]