通过多光子激发触发单个神经元的动作电位引发视觉引导的行为

点亮单个脑细胞

想象一下能够在活体大脑的深处打开一个单独的脑细胞，观察这一微小改变如何向外扩散并影响行为。这项研究展示了在小鼠中正是可以做到这一点，使用的是超快激光光束而非基因学手段。该工作为理解单个神经元如何参与感知与动作提供了窗口，并暗示了未来可能在不引入外来基因的情况下研究——甚至有朝一日治疗——大脑的新途径。

用光轻柔触碰神经元

大多数现代控制脑活动的方法依赖于光遗传学，这需要通过基因工程向神经细胞引入对光敏感的蛋白质，从而限制了这些方法的使用范围与条件。本文作者开发了一种“无感光蛋白”替代方法，利用高度聚焦的飞秒激光束去推动已有的神经元。通过在神经元细胞体的极小区域扫描激光，他们可以打开膜上的天然钙通道，使钙离子流入、细胞缓慢去极化并触发电性尖峰（动作电位）。由于激光在三维空间内具有很高的聚焦度，效应被限制在目标神经元上，邻近细胞基本不受影响。

安全且精确的单细胞控制

团队首先在脑切片和培养神经元中测试了他们的方法。他们证明短时、局部的光扫描可靠地引发了钙浓度升高和动作电位，但只有在特定钙通道可用且钠通道功能正常时才会发生。阻断这些通路会终止效应，证实激光是通过神经元自身的机制起作用，而不是简单地加热组织。在活体小鼠中，研究者调节激光功率，使每个神经元都有明确的响应阈值，并发现将功率设置在该阈值上方约20–40%可以实现几乎完美的激活而无损伤迹象。显示膜破裂的染料保持暗淡，神经元对正常输入仍然有反应，表明该方法可以安全且可重复地驱动单个细胞。

从单个细胞到学会的瞬目反射

为了检验这种精细控制对行为意味着什么，科学家们在头部固定的小鼠上训练了一个简单任务：当屏幕上某个位置出现一个小方块光时眨眼。在数天内将该视觉提示与轻微的气流刺激眼睛配对后，小鼠学会了在特定方块闪现时预期性地闭上眼皮。在动物执行任务时，研究者使用两光子显微镜绘制了初级视觉皮层中对方块出现或消失持续有响应的神经元群体。这些“群体”分布在皮层表面，每个群体只包含几十个在学会的瞬目反应中共同激活的细胞。

用一个神经元制造与破坏行为

在识别出这些群体后，作者在关闭所有视觉提示后，使用激光方法激活群体内随机选取的单个神经元。令人惊讶的是，刺激其中仅一个神经元在受训小鼠中大多数情况下足以触发瞬目反射，而刺激群体之外的神经元几乎不会引发该反应。其余群体通常在这些光触发的眨眼过程中保持沉默，这表明一个精心选择的个体神经元可以替代整个群体来驱动这一简单的习得动作。然而，当将激光功率进一步提高时，目标神经元内钙大量涌入并持续数分钟，暂时阻止其发放动作电位。在这种“光破坏”模式下，即便是正常的视觉提示也无法再产生瞬目反射，许多其他群体神经元的响应也随之停止——整个网络仿佛因失去单个成员而短暂瘫痪。

灵活但脆弱的网络

重要的是，这种瘫痪并非永久。被沉默的神经元逐渐将钙泵出细胞外，随着视觉提示的反复出现，群体的活动和瞬目行为恢复了。这表明虽然单个神经元可以在引导行为方面发挥强大的因果作用，但整个网络足够稳健，能够从它们的暂时失效中恢复。对普通读者而言，关键信息是：在视觉皮层中，单个神经元在被精确光控时，既能启动也能阻止一种学会的、由视觉引导的动作。新的无感光蛋白激光技术为神经科学家提供了一种强大的工具，可在活体水平上以单细胞为单位探究此类因果关系，而无需基因改造。

引用: Wang, H., Xiao, Y., Tang, W. et al. Triggering action potentials of a single neuron by multiphoton excitation elicits visually guided behavior. Nat Commun 17, 2608 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69446-5

关键词: 单神经元控制, 两光子刺激, 视觉皮层, 瞬目条件反射, 神经群体