紅色和藍(lán)色的燈閃爍。一臺機器就像一群遠(yuǎn)處的蜜蜂。在一個小房間大小的房間里，Yoav Adam，一臺顯微鏡和一臺視頻投影儀捕獲了以前從未見過的東西：神經(jīng)元在一個行走的生物中實時閃爍。

幾十年來，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!- 速度驚人。電信號可以以每小時270英里的速度從一個電池傳輸?shù)搅硪粋€電池。

但是，神經(jīng)電力與電話線中的電力一樣難以察覺：對于無助的眼睛，繁忙的大腦看起來像橡膠一樣沒有生命。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)電信號轉(zhuǎn)換為通過顯微鏡可見的火花。

享受自然

在20世紀(jì)80年代，在對死海進行生態(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，這種有機體及其天才蛋白(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)他們對蛋白質(zhì)增強的大腦進行光照訓(xùn)練時，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，甚至可以操縱動物的行為。

科恩很感興趣。他想知道：我們可以改變這個伎倆嗎?蛋白質(zhì)可以將神經(jīng)元的電活動轉(zhuǎn)化為可檢測的閃光嗎?經(jīng)過幾年的努力，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，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)就像一個超靈敏的電壓表，就像你手臂上的頭發(fā)一樣，隨著電動搖晃而變化。

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

成對的蛋白質(zhì)在大腦外的神經(jīng)元中很好地發(fā)揮作用。“但是，”科恩說，“圣杯是為了讓它在實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，計算機科學(xué)家和統(tǒng)計學(xué)家之間進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)活體動物;然后，通過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。

通過大腦上的紅色和藍(lán)色光線，Yoav可以控制何時以及哪些神經(jīng)元發(fā)射并將其電活動捕獲為光。為了在明亮的混亂中識別個體神經(jīng)信號，該團隊設(shè)計了一個最終的新工具：一種可以提取特定神經(jīng)火花的軟件，如來自群體的單個螢火蟲。

來自混沌的清晰度

但神經(jīng)信號的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于螢火蟲。在三分之一的時間內(nèi)，你需要眨眼，科恩團隊可以捕捉神經(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個神經(jīng)元，這是現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)的壯舉，并且在三周后，可以找到相同的精確神經(jīng)元來重新記錄。

Yoav并不是第一個記錄神經(jīng)信號的人：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)備一次只記錄一個或兩個神經(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)測鈣，它們在發(fā)射時會淹沒神經(jīng)元。但是，根據(jù)科恩的說法，“根據(jù)你的確切方式，它比Yoav所看到的電壓信號慢200到500倍。”

現(xiàn)在，Yoav可以進一步擴展他的視野，看看行為改變?nèi)绾斡绊懮窠?jīng)喋喋不休。對于他的第一次嘗試，他開始很簡單：一只老鼠在跑步機上走了15秒，然后休息了15秒。在這兩個階段，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，走路和休息的簡單變化，”Yoav說，“我們可以看到電信號的強烈變化，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，”科恩補充道。

Yoav還觀察到不同類型的活動模式：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。這種尖峰可以通過細(xì)胞膜外的探針檢測到。但是，Yoav可以看到較小的電壓信號，最終決定神經(jīng)元是否會出現(xiàn)峰值。在活體動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，Yoav和團隊將為鼠標(biāo)的跑步機環(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?“沒有人知道記憶是什么樣的，”科恩說。很快，我們可能會。

與此同時，跨學(xué)科團隊將繼續(xù)對其錯綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行分類，并改進其光學(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。“一只老鼠腦中有7500萬個細(xì)胞，”科恩說，“所以根據(jù)你的觀點，我們要么已經(jīng)做了很多，要么我們還有很長的路要走。”

但Yoav在推動五年發(fā)展挑戰(zhàn)以達(dá)到“圣杯”的同時，將繼續(xù)向前推進。對他來說，最終的結(jié)果總是看起來很可能：“我能看到光明。”