在新興的光遺傳學中出現(xiàn)的新轉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，哲學家、解剖學家與研究人員們都在思考著大腦內部是如何工作的。對研究這個黑箱所傾注的努力往往換來的是比答案還多的問題。畢竟，十六世紀的煉金術師在我們腦袋里找不到真正居住著的侏儒們，笛卡爾時代的解剖學家們也找不到一臺精細復雜的鐘的齒輪。
電流計與腦電圖(electroencephalgrams，EEGs)為我們打開了探索大腦電活動的大門。但是它們大多告訴我們，我們是多么地不懂大腦的運轉。隨后的研究揭示了在一個普通成年人的大腦里，有著成千上萬種神經元，精細地組織在一起，同時交織在一張由大約一千億個細胞組成的巨大網絡中。甚至后來諸如功能性核磁共振成像(fMRI)和腦磁圖(magnetoencephalgram)的技術使得空間與時間上的分辨率提高之后，大腦內部的語言依然是一個謎。
接著，在新千年后，一項名為光遺傳學的新技術被開發(fā)，使研究人員們得以用他們曾經無法做到的途徑進行神經元行為的研究。這項技術圍繞于把編碼視蛋白(一種在光下被激活的有機分子)的基因與神經元粘接。這樣，通過光纖閃爍發(fā)光，來激發(fā)神經元。這種工具帶來了高水平的空間與時間分辨率，在它與其他神經影像學技術合用時，還能提供實時行為反饋。
(弗朗西斯科·貝扎尼那)
然而，光遺傳學只能幫我們到這里了。當我們要從基因水平上來改變人們的大腦時，許多倫理和安全性的問題依然存在。于是，這項技術便被限制在了實驗室的皮氏培養(yǎng)皿【也就是常見的上下蓋培養(yǎng)皿，譯者注�！亢蛣游飳嶒炛小５矣幸环N暫命名為“光電容”的相關技術，使得在人類受試者中的應用，有一天可能成真。
這個新操作選擇了一條外源性激活神經元的不同途徑，這個過程通常叫做神經調制。在芝加哥大學的生物化學與分子生物學教授，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)了通過改變神經元細胞膜電容來激活神經元的機制。這是通過使用紅外線脈沖產熱完成的。但是紅外線刺激并不具有很好的靶向性，所以產生的熱能可以輕易地破壞細胞。(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眼科與視覺科學教授，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細胞。直徑僅有20納米，這些納米顆粒吸收光脈沖之后，將其轉化為十分集中的熱能，引出我們需要的特異神經元激活。但是，這些比人類血細胞小300倍的納米顆粒不會停留在原地，而是會迅速擴散在神經元所緊鄰的環(huán)境里。為了更好地將顆粒與目標神經元相連接，這個團隊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，每個細胞在半小時內可以產生超過3000次動作電位，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合的納米顆粒的方法很有效，但它并不能激活那些對于Ts1沒有特異性反應的神經元。于是，貝扎尼那，派佩伯格和他們的團隊轉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)下激活細胞，甚至在很長一段時間連續(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，然后瞄準不同種類的細胞，甚至是非神經元的細胞。
(吸液管在離體條件下傳送金納米顆粒，激發(fā)出了綠光，同時記錄下動作電位�？勺冸娙萜鞯臉酥颈硎疽l(fā)動作電位的機制。)
這項研究被發(fā)布在2月的《神經元》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話時，他解釋道，視電容技術與視遺傳學擁有相似的清晰度，但避免了對靶細胞的基因改變。他還提到，視容量技術擁有另一個有趣的不同點，“只要使用針對靶細胞合適的抗體，它很可能對任何可被激動的細胞有效。”
因此，光電容技術可應用在廣大范圍的細胞與器官研究中，還可能在大量活體研究以及治療方法中應用。比如，對于黃斑變性以及其它視網膜疾病，視覺感受器的變性使得它們無法向視網膜的節(jié)細胞與大腦發(fā)送信息。我們使用光電容技術或許能繞過損壞的細胞，通過不同的機制刺激視覺通路，使人重獲光明。
“這項技術對于任何需要刺激某些神經元的治療手段都理應適用，”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。沒有在動物活體中的實驗，現(xiàn)在推測更多都太早了。”
我推測有一天，這項技術能用于機械性、神經性假肢與人體的融合。在擁有更好的感覺反饋，并替代像目標神經肌肉分布重建的控制方式后，我們的神經系統(tǒng)(Nervous System)能夠直接控制各種儀器。
研究小組新造了“光電容”這個詞，來自于細胞膜電位發(fā)生的由光誘導的改變。“它能使膜去極化，激活鈉通道，產生動作電位。”盡管仍處于開發(fā)初期，光電容是一項能夠為人類大腦內部活動以及其它很多研究帶來新曙光的技術。
關于作者：
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前景中指導著商業(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《情感機器》的創(chuàng)作。這本書是關于當計算機理解、復制和操控我們的情感的能力日漸強大時，我們所面對的希望與危險。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/chuzhong/752761.html
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