打造透明大脑VIP免费

作者：卡尔‧戴瑟罗斯（KarlDeisseroth）卡尔‧戴瑟梦斯是斯坦福大学生物工程学和精神病学教授，因为开创了Clarity和光遗传学技术而获得了2015年生物医学科学Lurie奖。我们的神经系统就像一块色彩丰富的织锦，由交互连接的线编织而成。轴突，一种从神经元延伸出的细纤维，就是构成大脑的「线」。借助这种特殊结构，电信号可以从一个神经元传至另一个神经元。长程投射轴突（Long-rangeprojectingaxon）类似于纺织品中的「经线」，可与大脑自身的「纬线」（即短距离内往复缠绕的轴突）交织在一起，通过传递信号来执行计算功能。要理解大脑的工作机制，科学家需要破译这幅神经织锦的微观结构（精确到单个轴突）。不过，要搞清楚单个轴突的功能，我们还得从整个大脑入手，因为这样才能完整地呈现个细长轴突的全貌以及它所处的环境。然而，遍布脑部的脂肪分子（脂质），尤其是细胞膜上的脂质分子，会导致成像设备发出的光产生散射，阻碍了我们透过最表层的细胞来观察脑部的深层结构。由于大脑既不像普通织物那样平整，也不透明，要看清脑内轴突的精细结构，我们需要一种全新的工具。现在，一项新技术为神经科学家开启了察看全脑的大门，借助这项新技术，科学家可以确定大脑中构建复杂神经通路的神经纤维的轨迹，以及它们的分子特性。新方法以一种名为水凝胶（hydrogel）的物质为基础。水凝胶是一种聚合物，它内部形成了三维连接网络，既可保持水份，又可防止自身解体。它常被用来在生物组织内部构建3D聚会物骨架。整个过程分为3部，首先是让凝胶在实验动物或死者的脑内形成，这种凝胶可与蛋白质和核酸（脱氧核糖核酸和核糖核酸）等连接，从而保护这些富含生物信息的关键分子；然后，去除脑中不必和会散射光的组分（比如脂质）；最后，向整个脑结构中引入大量荧光标记和其他标签（凝胶不仅要透明，还要容易注入探针标记），标记发光后，科学家就能以极高的分辨率，直接观察整个脑部中不同的神经纤维和分子。新技术可以让科学家更深入地了解人体的指挥中心，也让他们得到了很多新发现。借助这种方法，神经科学家能将神经通路与相应的行为学功能联系起来，包括运动、认知等躯体行为和认知行为。新方法还可以帮助科学家更好地研究帕金森病、阿尔茨海默病、多发性硬化症、自闭症、药物滥用、恐惧症与焦虑症的发病过程。我们甚至协助创办了一家公司，以探索组织一水凝胶（tissue-hydrogel）工程在癌症诊断方面的应用。目前该方法除了应用于脑部，还应用到了脑以外的其他身体器官和组织。透明大脑让大脑变得透明是如此艰难，以至于大型动物历经上亿年演化，仍然没有获得这个特性。很明显，拥有隐形的身体优势多多，所以某些物种会演化出一定程度上透明的身体，以适应生活环境（比如躲避天敌）。为了更好地隐藏自己，某些鱼甚至放弃了血红蛋白，没有红色的血液。然而，尽管生存压力巨大，这些动物也做不到让中枢神经系统完全透明。在那些所谓的透明鱼或虾体内，神经系统仍然保持着不透明——尽管已经达到弃用血细胞的演化高度，却依旧无法让光畅通无阻地穿透一个活体生物的大脑。脑部的这种不透明性，是由于神经组织对光的散射造成的，在脂肪和水的界面，光子会发生漫反射（因为光这两种物质中的传导速度不同，同时神经连接结构极具复杂性）。我们很难通过基因改造或借助演化的力量，消除这一阻碍光线通过的壁垒。构成细胞膜和脑细胞内部结构的脂质屏障，就像绝缘体，在离子沿轴突传递信息的过程中起着非常关键的作用。颇有讽刺意味的是，生物学家最希望能够整体研究的器官（脑），也最难做到透明。2009年，我开始转向研究这个难题——使完整、成熟的哺乳动物的脑部变得透明可见，同时对脑内多个分子进行精细标记。那个时候，全世界已有数百个实验室开始使用我和同事在2004至2009年发明的光遗传学方法（即用光照控制脑细胞活动，打开或关闭特定神经通路组件）。光遗传学是一门跨学科的科学，可以同时利用激光、光纤和光敏蛋白基因（也叫微生物视蛋白，主要存在于藻类和细菌中），在动物跑、跳、游泳、日常生活以及完成复杂行为时，精确控制活体生物脑内特定细胞的神经活动。2004年7月，我们第一...