1、【初中生物】“光電容技術(shù)”點(diǎn)亮大腦研究的新思路在新興的光遺傳學(xué)中出現(xiàn)的新轉(zhuǎn)折可能為人類(lèi)活體大腦研究提供嶄新途徑，并帶來(lái)創(chuàng) 造性的治療用途。自古以來(lái)，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(lái)的是比答案還多的問(wèn)題。畢競(jìng)，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(kāi)f探索大腦電活動(dòng)的大門(mén)。 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(wàn)種

2、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(lái)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(yǔ)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(kāi)發(fā)，使研究人員們得以用他們?cè)?經(jīng)無(wú)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(guò)光纖閃爍發(fā)光，來(lái)激發(fā)神經(jīng)元。這種 工具帶來(lái)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

3、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(lái)改變?nèi)藗兊拇竽X時(shí)， 許多倫理和安全性的問(wèn)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(jiàn)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(lèi)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(guò)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

4、過(guò)改變神經(jīng)元細(xì)胞膜電容來(lái)激活神經(jīng)元的機(jī)制。這是通 過(guò)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(jué)科學(xué)教授，大衛(wèi)派佩伯格(David Pepperberg)博士開(kāi)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(lèi)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

5、與源于蝎子毒素Tsi的合成分子連在一起。這些與Tsi相連 的納米顆粒與細(xì)胞的鈉通道鏈接，可以被多次激活。在使用以亳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(guò)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Tsi沒(méi)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。抗體可以與離子通道(ion channeDTRPVl和P2X3相連。與Tsi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(zhǎng)一段時(shí)間連續(xù)沖洗之后仍

6、然有效。這意味著納米顆粒可以與不同的抗體相連，然后瞄準(zhǔn)不同種類(lèi)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

7、斑變性以及其它視網(wǎng)膜疾病，視覺(jué)感受器的變性使得它 們無(wú)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(guò)損壞的細(xì)胞， 通過(guò)不同的機(jī)制刺激視覺(jué)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(lèi)身上之前，還有許多的研窕尚待完成。沒(méi)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(jué)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(lái)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(kāi)發(fā)初期，光電容是一項(xiàng)能夠 為人類(lèi)大腦內(nèi)部活動(dòng)以及其它很多研究帶來(lái)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(lái)咨詢(xún)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