紅色和藍(lán)色的燈閃爍。一臺(tái)機(jī)器就像一群遠(yuǎn)處的蜜蜂。在一個(gè)小房間大小的房間里，Yoav Adam，一臺(tái)顯微鏡和一臺(tái)視頻投影儀捕獲了以前從未見過(guò)的東西：神經(jīng)元在一個(gè)行走的生物中實(shí)時(shí)閃爍。

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找一種觀看大腦直播的方法。神經(jīng)元發(fā)送和接收大量信息 - 腳趾癢!火熱!垃圾聞起來(lái)!- 速度驚人。電信號(hào)可以以每小時(shí)270英里的速度從一個(gè)電池傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電池。

但是，神經(jīng)電力與電話線中的電力一樣難以察覺：對(duì)于無(wú)助的眼睛，繁忙的大腦看起來(lái)像橡膠一樣沒(méi)有生命。因此，要觀察神經(jīng)元如何將信息(腳趾癢)轉(zhuǎn)化為思想(“瘙癢粉末”)，行為(抓撓)和情緒(憤怒)，我們需要改變我們看到的方式。

發(fā)表在“自然”雜志上的一項(xiàng)新研究就是這樣做的。

亞當(dāng)科恩，哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授，第一作者Yoav Adam博士及其跨學(xué)科研究小組揭示了大腦的文字光，將神經(jīng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為通過(guò)顯微鏡可見的火花。

享受自然

在20世紀(jì)80年代，在對(duì)死海進(jìn)行生態(tài)調(diào)查期間，一位以色列生態(tài)學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種有機(jī)體，它可以執(zhí)行一種巧妙的技巧：將光線轉(zhuǎn)換成原始光合作用的電能。但是，近30年來(lái)，這種有機(jī)體及其天才蛋白(Archaerhodopsin 3)在死海水域中不受干擾地漂浮著。

然后，在2010年，麻省理工學(xué)院(麻省理工學(xué)院)的研究人員將蛋白質(zhì)拂去，將其引入大腦，并獲得了在神經(jīng)元中執(zhí)行其光技巧的微小工具。當(dāng)他們對(duì)蛋白質(zhì)增強(qiáng)的大腦進(jìn)行光照訓(xùn)練時(shí)，該工具將光線轉(zhuǎn)換為電能。然后研究人員可以改變神經(jīng)元的發(fā)射，如果他們選擇得好，甚至可以操縱動(dòng)物的行為。

科恩很感興趣。他想知道：我們可以改變這個(gè)伎倆嗎?蛋白質(zhì)可以將神經(jīng)元的電活動(dòng)轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的閃光嗎?經(jīng)過(guò)幾年的努力，他發(fā)現(xiàn)了答案：是的。它可以。

磨礪工具

當(dāng)用紅光照射時(shí)，Archaerhodopsin可以將電壓轉(zhuǎn)換為光(這種和類似的工具被稱為遺傳編碼的電壓指示器或GEVI)。這種蛋白質(zhì)就像一個(gè)超靈敏的電壓表，就像你手臂上的頭發(fā)一樣，隨著電動(dòng)搖晃而變化。

科恩實(shí)驗(yàn)室將這種蛋白質(zhì)與一種類似的蛋白質(zhì)配對(duì)，當(dāng)用藍(lán)光照射時(shí)，它會(huì)激發(fā)神經(jīng)元中的電脈沖。“這樣，”Yoav說(shuō)，“我們既可以控制細(xì)胞的活動(dòng)，也可以記錄細(xì)胞的活動(dòng)。”藍(lán)燈控制;紅燈記錄。

成對(duì)的蛋白質(zhì)在大腦外的神經(jīng)元中很好地發(fā)揮作用。“但是，”科恩說(shuō)，“圣杯是為了讓它在實(shí)際做某事的活老鼠身上發(fā)揮作用。”

在24位神經(jīng)科學(xué)家，分子生物學(xué)家，生物化學(xué)家，物理學(xué)家，計(jì)算機(jī)科學(xué)家和統(tǒng)計(jì)學(xué)家之間進(jìn)行了五年密集的跨學(xué)科合作之后，難以捉摸的“圣杯”出現(xiàn)了。首先，他們調(diào)整蛋白質(zhì)以適應(yīng)活體動(dòng)物;然后，通過(guò)一些熟練的遺傳操作，他們將蛋白質(zhì)定位在小鼠大腦右側(cè)細(xì)胞的右側(cè)部分。最后，他們建造了一臺(tái)新的顯微鏡，用視頻投影儀定制，將紅色和藍(lán)色光線照射到活體鼠腦中，并照射到感興趣的特定細(xì)胞上。

“你基本上拍了一部小電影，”科恩說(shuō)。

通過(guò)大腦上的紅色和藍(lán)色光線，Yoav可以控制何時(shí)以及哪些神經(jīng)元發(fā)射并將其電活動(dòng)捕獲為光。為了在明亮的混亂中識(shí)別個(gè)體神經(jīng)信號(hào)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)最終的新工具：一種可以提取特定神經(jīng)火花的軟件，如來(lái)自群體的單個(gè)螢火蟲。

來(lái)自混沌的清晰度

但神經(jīng)信號(hào)的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于螢火蟲。在三分之一的時(shí)間內(nèi)，你需要眨眼，科恩團(tuán)隊(duì)可以捕捉神經(jīng)元穗狀圖案的精確，私密細(xì)節(jié) - 就像飛行中螢火蟲的翼位變化一樣。它們可以一次記錄多達(dá)10個(gè)神經(jīng)元，這是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的壯舉，并且在三周后，可以找到相同的精確神經(jīng)元來(lái)重新記錄。

Yoav并不是第一個(gè)記錄神經(jīng)信號(hào)的人：頭發(fā)稀薄的玻璃管，插入腦組織，可以完成工作。但是，這樣的設(shè)備一次只記錄一個(gè)或兩個(gè)神經(jīng)元，并且像分裂一樣，必須在造成損害之前將其移除。其他工具監(jiān)測(cè)鈣，它們?cè)诎l(fā)射時(shí)會(huì)淹沒(méi)神經(jīng)元。但是，根據(jù)科恩的說(shuō)法，“根據(jù)你的確切方式，它比Yoav所看到的電壓信號(hào)慢200到500倍。”

現(xiàn)在，Yoav可以進(jìn)一步擴(kuò)展他的視野，看看行為改變?nèi)绾斡绊懮窠?jīng)喋喋不休。對(duì)于他的第一次嘗試，他開始很簡(jiǎn)單：一只老鼠在跑步機(jī)上走了15秒，然后休息了15秒。在這兩個(gè)階段，Yoav將藍(lán)光和紅光投射到大腦的海馬區(qū)域，這是學(xué)習(xí)和記憶的中心。

“即使只是行為，走路和休息的簡(jiǎn)單變化，”Yoav說(shuō)，“我們可以看到電信號(hào)的強(qiáng)烈變化，這些變化在海馬體中不同類型的神經(jīng)元之間也有所不同。”

“有些走得更快，有些走得更慢，”科恩補(bǔ)充道。

Yoav還觀察到不同類型的活動(dòng)模式：一些神經(jīng)元表現(xiàn)出復(fù)雜的尖峰，如起伏的阿巴拉契亞山脈，而一些則射出巨大的尖峰，如珠穆朗瑪峰。這種尖峰可以通過(guò)細(xì)胞膜外的探針檢測(cè)到。但是，Yoav可以看到較小的電壓信號(hào)，最終決定神經(jīng)元是否會(huì)出現(xiàn)峰值。在活體動(dòng)物中很少看到或研究這些亞閾值細(xì)節(jié)：正確的工具不存在。

接下來(lái)，Yoav和團(tuán)隊(duì)將為鼠標(biāo)的跑步機(jī)環(huán)境增加更多的復(fù)雜性：粗糙的Velcro圓圈，胡須電影和糖站。尤其是Yoav想要了解更多有關(guān)空間記憶的信息 - 例如，鼠標(biāo)能記得在哪里找到糖站嗎?“沒(méi)有人知道記憶是什么樣的，”科恩說(shuō)。很快，我們可能會(huì)。

與此同時(shí)，跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)對(duì)其錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并改進(jìn)其光學(xué)，分子和軟件工具。更好的工具可以捕獲更多的細(xì)胞，更深的大腦區(qū)域和更清晰的信號(hào)。“一只老鼠腦中有7500萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，”科恩說(shuō)，“所以根據(jù)你的觀點(diǎn)，我們要么已經(jīng)做了很多，要么我們還有很長(zhǎng)的路要走。”

但Yoav在推動(dòng)五年發(fā)展挑戰(zhàn)以達(dá)到“圣杯”的同時(shí)，將繼續(xù)向前推進(jìn)。對(duì)他來(lái)說(shuō)，最終的結(jié)果總是看起來(lái)很可能：“我能看到光明。”