在新興的光遺傳學(xué)中出現(xiàn)的新轉(zhuǎn)折可能為人類活體大腦研究提供嶄新途徑，并帶來創(chuàng)造性的治療用途。
自古以來，哲學(xué)家、解剖學(xué)家與研究人員們都在思考著大腦內(nèi)部是如何工作的。對(duì)研究這個(gè)黑箱所傾注的努力往往換來的是比答案還多的問題。畢竟，十六世紀(jì)的煉金術(shù)師在我們腦袋里找不到真正居住著的侏儒們，笛卡爾時(shí)代的解剖學(xué)家們也找不到一臺(tái)精細(xì)復(fù)雜的鐘的齒輪。
電流計(jì)與腦電圖(electroencephalgrams，EEGs)為我們打開了探索大腦電活動(dòng)的大門。但是它們大多告訴我們，我們是多么地不懂大腦的運(yùn)轉(zhuǎn)。隨后的研究揭示了在一個(gè)普通成年人的大腦里，有著成千上萬種神經(jīng)元，精細(xì)地組織在一起，同時(shí)交織在一張由大約一千億個(gè)細(xì)胞組成的巨大網(wǎng)絡(luò)中。甚至后來諸如功能性核磁共振成像(fMRI)和腦磁圖(magnetoencephalgram)的技術(shù)使得空間與時(shí)間上的分辨率提高之后，大腦內(nèi)部的語言依然是一個(gè)謎。
接著，在新千年后，一項(xiàng)名為光遺傳學(xué)的新技術(shù)被開發(fā)，使研究人員們得以用他們?cè)?jīng)無法做到的途徑進(jìn)行神經(jīng)元行為的研究。這項(xiàng)技術(shù)圍繞于把編碼視蛋白(一種在光下被激活的有機(jī)分子)的基因與神經(jīng)元粘接。這樣，通過光纖閃爍發(fā)光，來激發(fā)神經(jīng)元。這種工具帶來了高水平的空間與時(shí)間分辨率，在它與其他神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)合用時(shí)，還能提供實(shí)時(shí)行為反饋。
(弗朗西斯科·貝扎尼那)
然而，光遺傳學(xué)只能幫我們到這里了。當(dāng)我們要從基因水平上來改變?nèi)藗兊拇竽X時(shí)，許多倫理和安全性的問題依然存在。于是，這項(xiàng)技術(shù)便被限制在了實(shí)驗(yàn)室的皮氏培養(yǎng)皿【也就是常見的上下蓋培養(yǎng)皿，譯者注。】和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中。但所幸有一種暫命名為“光電容”的相關(guān)技術(shù)，使得在人類受試者中的應(yīng)用，有一天可能成真。
這個(gè)新操作選擇了一條外源性激活神經(jīng)元的不同途徑，這個(gè)過程通常叫做神經(jīng)調(diào)制。在芝加哥大學(xué)的生物化學(xué)與分子生物學(xué)教授，米克哈伊·沙畢羅(Mikhail Shapiro)博士與他的合作者，弗朗西斯科·貝扎尼那(Francisco Bezanilla)，莉莉安·艾克爾伯格(Lillian Eichelberger)發(fā)現(xiàn)了通過改變神經(jīng)元細(xì)胞膜電容來激活神經(jīng)元的機(jī)制。這是通過使用紅外線脈沖產(chǎn)熱完成的。但是紅外線刺激并不具有很好的靶向性，所以產(chǎn)生的熱能可以輕易地破壞細(xì)胞。(大衛(wèi)·派佩伯格)
基于此，貝扎尼那和位于芝加哥的伊利諾伊州州立大學(xué)眼科與視覺科學(xué)教授，大衛(wèi)·派佩伯格(David Pepperberg)博士開始一同致力于金的納米顆粒研究，以更精確地在體外瞄準(zhǔn)細(xì)胞。直徑僅有20納米，這些納米顆粒吸收光脈沖之后，將其轉(zhuǎn)化為十分集中的熱能，引出我們需要的特異神經(jīng)元激活。但是，這些比人類血細(xì)胞小300倍的納米顆粒不會(huì)停留在原地，而是會(huì)迅速擴(kuò)散在神經(jīng)元所緊鄰的環(huán)境里。為了更好地將顆粒與目標(biāo)神經(jīng)元相連接，這個(gè)團(tuán)隊(duì)把顆粒與源于蝎子毒素Ts1的合成分子連在一起。這些與Ts1相連的納米顆粒與細(xì)胞的鈉通道鏈接，可以被多次激活。在使用以毫秒為單位的光脈沖時(shí)，每個(gè)細(xì)胞在半小時(shí)內(nèi)可以產(chǎn)生超過3000次動(dòng)作電位，而且不存在效果變差或是明顯的損傷。
(不同大小的金納米顆粒擁有著不同的顏色。)
盡管這種使用配體結(jié)合的納米顆粒的方法很有效，但它并不能激活那些對(duì)于Ts1沒有特異性反應(yīng)的神經(jīng)元。于是，貝扎尼那，派佩伯格和他們的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)變成了一種將金納米顆粒與抗體連接的方式�？贵w可以與離子通道(ion channel)TRPV1和P2X3相連。與Ts1顆粒相似，這些分子依然可以在光的激發(fā)下激活細(xì)胞，甚至在很長一段時(shí)間連續(xù)沖洗之后仍然有效。這意味著納米顆�？梢耘c不同的抗體相連，然后瞄準(zhǔn)不同種類的細(xì)胞，甚至是非神經(jīng)元的細(xì)胞。
(吸液管在離體條件下傳送金納米顆粒，激發(fā)出了綠光，同時(shí)記錄下動(dòng)作電位。可變電容器的標(biāo)志表示引發(fā)動(dòng)作電位的機(jī)制。)
這項(xiàng)研究被發(fā)布在2月的《神經(jīng)元》雜志中，有許多有潛力的用途。在我與貝扎尼那以及他的合作者對(duì)話時(shí)，他解釋道，視電容技術(shù)與視遺傳學(xué)擁有相似的清晰度，但避免了對(duì)靶細(xì)胞的基因改變。他還提到，視容量技術(shù)擁有另一個(gè)有趣的不同點(diǎn)，“只要使用針對(duì)靶細(xì)胞合適的抗體，它很可能對(duì)任何可被激動(dòng)的細(xì)胞有效。”
因此，光電容技術(shù)可應(yīng)用在廣大范圍的細(xì)胞與器官研究中，還可能在大量活體研究以及治療方法中應(yīng)用。比如，對(duì)于黃斑變性以及其它視網(wǎng)膜疾病，視覺感受器的變性使得它們無法向視網(wǎng)膜的節(jié)細(xì)胞與大腦發(fā)送信息。我們使用光電容技術(shù)或許能繞過損壞的細(xì)胞，通過不同的機(jī)制刺激視覺通路，使人重獲光明。
“這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于任何需要刺激某些神經(jīng)元的治療手段都理應(yīng)適用，”貝扎尼那告訴我。但他同樣指出“在用于人類身上之前，還有許多的研究尚待完成。沒有在動(dòng)物活體中的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在推測(cè)更多都太早了。”
我推測(cè)有一天，這項(xiàng)技術(shù)能用于機(jī)械性、神經(jīng)性假肢與人體的融合。在擁有更好的感覺反饋，并替代像目標(biāo)神經(jīng)肌肉分布重建的控制方式后，我們的神經(jīng)系統(tǒng)(Nervous System)能夠直接控制各種儀器。
研究小組新造了“光電容”這個(gè)詞，來自于細(xì)胞膜電位發(fā)生的由光誘導(dǎo)的改變。“它能使膜去極化，激活鈉通道，產(chǎn)生動(dòng)作電位。”盡管仍處于開發(fā)初期，光電容是一項(xiàng)能夠?yàn)槿祟惔竽X內(nèi)部活動(dòng)以及其它很多研究帶來新曙光的技術(shù)。
關(guān)于作者：
理查德·楊克(Richard Yonck)是一位在智能未來咨詢中的前瞻性分析家、作者與發(fā)言人。二十余年里，他在不斷變化的技術(shù)前景中指導(dǎo)著商業(yè)方向，為多家刊物廣泛撰寫未來以及新興的科技。楊克居住在西雅圖，正致力于他的新書《情感機(jī)器》的創(chuàng)作。這本書是關(guān)于當(dāng)計(jì)算機(jī)理解、復(fù)制和操控我們的情感的能力日漸強(qiáng)大時(shí)，我們所面對(duì)的希望與危險(xiǎn)。
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