【大脑前沿011】神经科学的新工具盒
作者: 史蒂芬·霍尔 / 5223次阅读 时间: 2014年12月18日
来源: 安人心智 微信 标签: 安人心智 大脑前沿 脑科学 遗传学
www.psychspace.com心理学空间网随着光遗传学和其他一些重要技术的发明,研究人员第一次可以对情绪记忆和意识的来源展开研究。

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关于交配和攻击性

或许会被称为“做爱,而非作战”的行为神经科学分支几年前开始在加利福尼亚成形。当时,加州理工学院戴维·安德森实验室的研究人员决定对攻击性的生物学原理展开研究。他们精心策划了小鼠版本的《决战之夜》:他们刺激雄性小鼠对手之间展开争论,接着在一番艰苦的分子检测工作后,把注意力集中在了对下丘脑细胞的初步认知上,这个区域的细胞在小鼠开始打斗时变得很活跃。

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下丘脑是大脑深处一个小小的结构,除了其他功能外,它还以本能的行为反应协调感觉输入——例如对手的出现。心理学空间m$L4E4Oa/\

回溯到20世纪20年代,苏黎世大学的瓦尔特•赫斯曾证明,如果将电极插入一只猫的大脑,用电刺激下丘脑的某些区域,可以让一只本来高兴地发出咕噜声的猫,突然发出让人毛骨悚然且具有攻击性的模糊声音。几个有趣的假说试图解释这种现象发生的过程及原因,但都无法得到验证。心理学空间 w9EH4_9aS/w*K

脑科学中的许多基本问题一样,在过去一个世纪中,攻击性的秘密并没有被揭开——它仅仅是触碰到了常见的经验主义障碍。我们有很好的问题,但却没有技术来解答它们。

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直至2010年,安德森加州理工学院的实验室才开始梳理好斗小鼠攻击性的基本机制和神经线路。通过使用一系列让他们能够集中观察大脑区域内单个细胞丛的新技术,他们意外地发现了一个让人震惊的解剖学现象:看起来和攻击性行为有关联的微小区域下丘脑和与交配冲动相关的区域是交错相连的。结果发现,那个小小的细胞领地——学名是腹内侧下丘脑——原来是紧密相连的大约5千个神经元的集合体,其中一些神经元似乎和交配行为有关,另一些和战斗行为相关。

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“没有类神经元这种东西。”安德森说,据他估计,大脑中可能有1万种神经元之多。甚至大脑的非常微小的区域都包含不同种类的神经元,且这些神经元“常常以不同的、相反的方向影响行为。”心理学空间HcBCu g

比如下丘脑,一些神经元似乎在攻击性行为时变活跃,一些在交配行为时变活跃,而一个小小的部分——约20%——在战斗和交配时均变活跃。这是一个很有刺激性的发现,但也是老式神经科学的一个遗留问题。活跃并不是造成该行为,仅仅是相互关联。科学家们怎样才能确切地知道是什么触发了该行为呢?他们能否仅仅通过刺激小鼠下丘脑内的几个细胞来挑起它的打斗呢?

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十年前,这在技术上是不可能的。然而,在过去的十年里,神经科学因一项被称为光遗传学的卓越新技术而发生了转变,该技术由斯坦福大学的科学家们发明,第一次是在2005年描述的。

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加州理工学院的研究人员将一个转基因的光敏基因插入一只活着的、正在呼吸的、精力充沛的、间或会爱抚的雄性小鼠大脑内特定位置的某个细胞内。用头发丝那么细的光导纤维线插入活小鼠的大脑后,他们可以用光猝发将下丘脑的神经元打开或关闭。心理学空间n'S l6A3U9U7`Ra

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安德森和他的同事用光遗传学制作了录像,演绎出啮齿动物大脑深处的爱恨交织的紧张情绪,展示了雄性小鼠如何顺从自然的调节而做出相应的行为。

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在加州理工学院研究人员打开光时,正在和雌性交配的雄性小鼠会立即勃然发怒。亮光时,甚至连性格温和的雄性小鼠都会做出攻击行为,无论身边是什么——他的生殖伴侣,另一只雄性小鼠,一只被阉割的雄性小鼠(通常不会认为是威胁),或者,可能是丢进笼子里的一只橡胶手套。心理学空间+f(x\acVl

“用光遗传学技术激活这些神经元足以激活攻击性行为,不仅会攻击适当的目标,如另一只雄性小鼠,还会攻击不适当的目标,例如雌性小鼠或无性能力的雄性小鼠。”安德森如是说。相反,研究人员可以在攻击行为中通过关闭亮光抑制这些神经元,“你可以在战斗时立即阻止这一行为。”

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另外,研究还暗示,在行为运算中,做爱优先于作战:小鼠离生殖行为高潮越近,它对通常情况下会触发攻击行为的光脉冲的抵抗力(或不注意性)越强。

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在发表于《生物精神病学》的一篇题为《大脑中的光遗传学、性和暴力:与精神病学的关联》一文中,安德森记述到,“或许‘做爱,而非作战’的命令是强化在我们的神经系统内,其程度比我们所意识到的还要深。”心理学空间8\W~C8~;j

我们也许既是爱人也是斗士,两个冲动之间的神经学距离非常微细。在人类大脑的数十亿神经元中,特定的神经元扮演哪些角色,控制运动或认知,或导致失调如沮丧和孤独?弄清小鼠或其他实验室动物各种神经元和电路的功能就能提供答案。

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关于光遗传学

一种叫做光遗传学的技术给了科学家们将神经元打开或关闭的能力。借此,他们就能够探索某组神经元是否控制一种行为或失调。并且,研究人员可以用光遗传学方法操纵蠕虫、果蝇、小鼠、甚至猴子的神经元,而该技术曾被用于研究癫痫、上瘾、沮丧及其他行为内在的神经过程。心理学空间#pL5Jxa8`:E&`

光遗传学需要将神经元转基因,以便能够产生光敏蛋白,还需要有波长调谐的光源,这通常是通过颅骨上的小洞来传送的。曾经有段时间,光敏蛋白对于机会神经元非常有效,沉默仅缓慢并微弱地出现。近来,研究人员设计出了还能有效地沉默神经元的蛋白,将该工具盒扩展应用于研究不同神经元在大脑的许多电路中扮演的角色。心理学空间.ZSccu*C[W9m

尽管不能很快应用于人类大脑,光遗传学会在短期内为摧毁大脑失调的新处理策略指出方向。心理学空间UY%c9i$KY D9c&Y

导致大部分大脑失调症的细胞和基因变化并不为人所熟知。但新的技术正在使了解这些变化成为可能,这将有助于科学家找到新的药物或其他治疗手段。例如,科学家可以在陪替氏培养皿中种植患者的神经元。在开始时,科学家需要的就是皮肤干细胞或其他容易获得的细胞类型,这些细胞首先被转化为干细胞,然后转化为神经元,科学家可观察培养皿中神经元的外观及功能变化。心理学空间'E ]|CJO6BY H!^

科学家还可以在这些神经元上试验药物,判断是否有复合物能够改进病症,甚至使用基因组编辑法在干细胞内引入我们认为和某个失调症相关的确切变化,然后检查最终的神经元是否异常。心理学空间!U~bD Y%l4r,I;SKx


没有人暗示我们正在利用神经回路断路器抑制攻击行为的边缘。但是,正如安德森所指出,该研究凸显了一个更大的意义,即一项新技术会怎样重新发明脑科学研究的方式。心理学空间,Hsj.q_?${F

“光遗传学将一个有重大关联的科学领域转入测试因果关系的科学的能力是有革新意义的。”这项技术的根本意义在于,它让科学家能够精准地干扰一个细胞或一个细胞网络,这是绘出影响各种行为类型回路图的关键步骤。成像等较老的技术让研究人员能够观察大脑动态,而光遗传学则让他们能影响这些动作,在特定时间刺激大脑特定区域观察发生的现象。心理学空间$keG7t:X^*[ O,AXo$gx

光遗传学仅仅是一套可能会在神经科学似乎最辉煌时期扮演主要角色的有革命意义的新工具。美国和欧洲的主要先驱希望理解人类大脑——由神经元、结缔组织和回路缠结成三磅种的凝乳一样的结构——是如何产生抽象思维和对沮丧等情绪的基本感觉处理等各种情况的。

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当研究人员用这些工具研究大脑如何获得看起来很神秘的影响时,认知、自由意志、记忆、学习都被摆在了桌面上。

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两千多年前,希波克拉底说到,“如果你想研究思想,必须从研究大脑开始。”在过去的两千年中,没有发生任何改变这项规则的事情——除了神经科学在这项研究任务上所使用的工具以外。

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新工具的意义

神经科学史和科学史本身一样,常常是新设备和新技术的历史。加尔瓦尼因触发青蛙肌肉抽动而首次意外发现的电极启发人们发明了以后每一代电极,从沃尔特·赫斯的猫刺棒到现在的对深层脑刺激以治疗帕金森病的治疗应用(目前世界上大约有30,000人脑部置于了电极来治疗这种疾病)。膜片钳让神经解剖学家看到了神经元在准备发射时其内部离子的消长。心理学空间O,^Z$a)z;^ cX!`"Rhi

20世纪70年代早期,当保罗·劳特布尔在纽约州立大学石溪分校他的实验室内用强磁场对准一只不幸的蚌时,他根本没有意识到他和他的同事正在为磁共振成像(MRI)机奠定基础,这个机器曾帮助揭开存活大脑的内部形状和活动。然而,正是过去几年内,遗传学和基因组工具的进展才真正给神经科学带来了革命性的的变化。这些进展使得心脏光遗传学基因操作成为可能。甚至连更新的基因组编辑法,也能在实验室被用于精确改变活细胞的遗传学。心理学空间$_#tk-gD rGP

连同光遗传学一起,这些工具意味着,科学家可以开始确定人类大脑内大约860亿个神经细胞内几千个不同类型的神经细胞的功能。心理学空间 a5R8~ L-^t(x R\A;t



没有什么比迅速使用这项工具研究新的科学领域的科学家的数量更能够证明一项新技术的价值。正如麻省理工学院一位在发展光遗传学上做出贡献的科学家爱德华·博伊登所说,“通常当一项新技术出现时,就会有领土的争夺。”

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甚至当研究人员争夺那些基因组学和光遗传学方面的机会时,仍然有其他的进展出现。一个新的化学处理使得直接看到哺乳动物大脑内部的神经纤维生物可能;自动化微电极能够监测(并干扰)存活动物的单个细胞;更加成熟的成像技术让研究人员能够配合大脑切片内神经细胞和纤维制作出连接的三维图。科学家希望利用所有这些工具来认知大脑活动,赢得这场最大的认知比赛:记忆、决策、意识、像焦虑和沮丧这样的精神疾病,以及,对,性和暴力。

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2013年1月,欧洲委员会投资十亿欧元发动了人类大脑工程,提出要在十年内绘出大脑内所有的连接图。几个月后,在2013年4月,奥巴马政府宣布了一项叫做“通过先进创新神经技术研究大脑(BRAIN)”的计划,该政府将在这一领域倾资十亿美元,大部分的早期基金专用于技术的研发。那么就有了“人类连接组计划”,旨在使用大脑组织序列切片电子显微镜成像技术绘出三维的神经细胞和连接图。

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在维吉尼亚霍华德休斯医学研究中心和西雅图艾伦脑科学研究所,互补的连接组和绘图工作已经启动。它们都是世界范围内公共和私人基金用来打造人类大脑复杂图片(从基因和细胞水平到连接和回路水平)而做出的努力的一部分。心理学空间+TxS$z(Zu.L`#Y)t9S

去年12月,作为脑计划的起始,美国国家卫生研究院为价值四亿美元的神经科学技术研发项目招标。“为什么脑计划要将重心放在技术上呢?”,共同主管该项项目计划过程的洛克菲勒大学神经科学家康内尼亚·博格曼说。

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“真正的目标是,同时理解大脑在许多水平上不同时间和空间许多不同的神经元如何工作,而阻碍我们理解这些的,是技术的局限。”

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光遗传学起源于2000年在斯坦福大学的一次深夜闲谈中。在那里,神经科学家卡尔·代塞尔罗思和爱德华·博伊登开始将有关识别,以及最终操纵特定大脑回路活动的方法方面的想法,进行反复推敲。拥有斯坦福大学神经科学博士学位的代塞尔罗思渴望理解(并有朝一日治疗)自希波克拉底时代就给人类带来烦恼的精神疾病,尤其是焦虑和沮丧。心理学空间U(?/Jdq$b



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正在大脑功能领域进行研究生工作的博伊登在神经技术方面有广泛的兴趣。起初,他们梦想使用微磁珠控制完整的活动物内的大脑功能。但在接下来的五年中的某个时刻,一个不同类型的灯泡运转了。

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研究在继续

自二十世纪七十年代起,微生物学家就一直在研究一类被称为视紫质的光敏分子,这种分子是在简单的生物体如细菌、真菌和藻类中被发现的。这些蛋白的功能就像细胞壁上的守门人;当探测到某种波长的光时,它们要么让离子进入细胞,要么将离子放出细胞。离子的消长就反映了神经元发射的过程:神经元细胞内部的电荷逐渐积累,直到细胞放出电活动,沿着其纤维的长度(或轴突)流向突触,在这里信息被传递该通路中下一个细胞。心理学空间GFZ)N)UK

科学家们推测,如果将其中一个光敏蛋白的基因转移给神经元,然后用光对细胞进行脉冲处理,可能会让这个神经元发射。简单地说,可以将清醒动物的特定神经元激活或关闭——用光猝发。

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2004年,代塞尔罗思成功地在培养皿中将藻类光敏分子的基因插入哺乳动物的神经元中。代塞尔罗思和博伊登的进一步研究表明,蓝光会诱发神经元发射。

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大约与此同时,一名叫做张峰的研究生加入了代塞尔罗思的实验室。在爱荷华州得梅因还是一名高中生时,张峰就早早获得了分子生物学和基因治疗技术的专业知识,他证明,目标基因可被用基因工程病毒引入神经元。心理学空间2VJb'FVaI!IB] B

斯坦福大学的研究小组又一次使用蓝光脉冲证明,它可以将病毒转基因的哺乳动物神经细胞内的电脉冲打开或关闭。在发表于2005年《自然神经科学》的一篇具有里程碑意义的论文中,代塞尔罗思、张和博伊登描述了这项技术。(在随后的一年中没有人称其为“光遗传学”。)心理学空间sx~.hW

神经科学家通过将光敏基因插入活动物立即获得了这项技术的巨大力量。代塞尔罗思本人的实验室的研究人员用这项技术确定了控制小鼠焦炉情绪的新通路,代塞尔罗思的研究小组和他在纽约西奈山医院的合作者用这项技术将大鼠和小鼠的沮丧情绪打开和关闭。最近,麻省理工学院利根川进的实验室在实验室动物身上应用光遗传学创造了错误的记忆。心理学空间\ aj)J]o|8j4k }

我在去年十二月造访博伊登位于麻省理工学院媒体实验室的办公室时,这位科学家回忆起了他在光遗传学最得意的几篇新论文。博伊登急速地描述了已经正在研发的第二代技术,其中一个是窃听麻醉及清醒动物的单个神经细胞。心理学空间u.kP9y-H8G-Qb%D

为了看到失去知觉的动物神经元内“活动海洋下面翻滚的东西”。博伊登说,“其实就是显示了拥有思想、意识和感觉意味着什么。”心理学空间9q0zn%JPo

博伊登的小组还刚刚发表了一篇在光遗传学方面的论文:可用红光和蓝光同时干扰单个独立的神经通道。这项技术具有告诉我们不同的回路相互之间如何互动和影响的潜力。他的小组还在研究旨在捕捉全大脑活动的“疯狂密集的”记录探针和显微镜,而这些野心并不谦虚。“你能记录大脑中的所有细胞吗,”他说。“这样当你从感觉区转到情绪区再到决策区最后到活动区时,你就可以看到思想或决定或其他复杂现象的出现?”

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许多脑功能源于几束神经元一起将信号在不同区域传递的过程。将这些通路绘图将帮助科学家理解大脑的工作原理。这项任务很艰巨,但许多研究小组都在付出努力,研究大脑解剖的不同方面。心理学空间2E]KK3|&V

在德国尤利希研究中心,一个人脑在尸体解剖时被取出,经过化学防腐,然后在MRI机器上扫描以帮助引导虚拟重建。一种先进的MRI形式使科学家能够将显微细胞结构和大的脑结构同时成像。

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几个街区以外,现在是麻省理工学院助理教授和博德研究所教学人员的张峰(上图)列出了现在可能在用这些新技术研究着的古老的神经科学问题。“你能提升记忆力并增加能力吗?神经回路是怎样基因编码的?你能改编基因指令吗?如何治疗导致神经系统错误配线或其他功能失调的基因突变吗?你怎样使年老的大脑变得更年轻?”

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除了帮助发明光遗传学,在开发一项叫做CRISPR的基因编辑技术时,张峰也发挥了主要角色。这项技术使科学家能够以一个基因为靶向在神经元中删除或改变它。如果改变后包括了一个我们知道或被怀疑造成大脑失调症的突变,科学家们就可以在实验室动物身上研究这项失调的过程。另外,研究人员还可以在实验室使用CRISPR改变干细胞,然后生长为神经元,以观察结果。

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回到斯坦福大学,当不在诊所给有自闭症谱系障碍或沮丧情绪患者看病时,代塞尔罗斯就继续发明他和其他人能够用来研究这些情况的工具。去年夏天,他的实验室向科学家们报道了一种将连接大脑内远距离区域的被称为“白色物质”的神经纤维电缆可视化的新方法。

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这项叫做“透明(Clarity)”的技术首先将生物分子,如蛋白和DNA固定在保留死后大脑物理完整性的塑料样网上。接着,研究人员用一种洗涤剂冲洗网,以溶解大脑组织中所有通常会阻碍光线的脂肪。大脑变得透明,立即显示出整个三维线路图可供观察。所有这些新工具一起正在改变神经科学的许多传统观点。

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例如,正如代塞尔罗思在一篇发表于本年度《自然》期刊上的综述文章中说到的,光遗传学对大脑深度刺激的一些内在思想提出了挑战,这些思想曾被广泛用于对待从震颤和癫痫到焦虑和强迫性神经症的所有神经疾病。没有人知道其工作原理是什么,但操作性假设是,其治疗效果源于对特定大脑区域的电刺激;神经外科医生不遗余力地以最大的精准度放置电极。

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然而,在2009年,代塞尔罗思和他的同事证明,在帕金森综合症中,刺激白色物质的特定区域,恰好位于电极旁边的神经电缆会产生最有力的临床效果。换句话说,并不是大脑的附近起了什么作用,而是神经高速公路恰好从这里通过。科学家常常用“让人吃惊的”和“预料不到的”这样的词来描述最近这些发现,反映了光遗传学对理解精神疾病带来的影响。

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同样,加利福尼亚理工学院的安德森指出,在过去二十年内,公众和科学界对于功能性MRI(fMRI)研究的迷恋产生了这样的印象:大脑的某些区域作为神经活动的“中心”——例如,扁桃体是恐惧的“中心”,下丘脑是攻击性的“中心”。但他把fMRI比喻为从3万英尺高空的飞机上向下看夜间的景物,并“试图弄清某个镇上正发生什么。”

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相比之下,光遗传学为下丘脑微细分支细胞提供了更为详细得多的观察,因而也提供了攻击性的复杂得多且差别细微得多的图片。激活那个小镇上特定的神经元可以让一个有机体发起战争,但激活邻近的神经元可以让它做爱。

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小结

这项新技术将让科学家们最初瞥见活动中人类的认知——一瞥思想、感觉、预感和精神障碍心理活动是怎样从神经电路和特定类型细胞的活动中产生出来的。研究人员仅仅刚开始拥有这些洞察力,但按照最近技术发展的速度来看,这样的图片会比几年前光遗传学之光首次闪烁时人们所能梦想到的速度更快地出现。

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本期文献

作者简介

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Stephen S. Hall是一名科学作家,从业30年,也教授写作。曾登上过《纽约时代》杂志的封面。

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英文原文参考:Neuroscience's New Toolbox.

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http://www.technologyreview.com/featuredstory/528226/neurosciences-new-toolbox/

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中文翻译来自:麻省理工科技评论心理学空间ki!p"B:nn

http://www.techreviewchina.com/home/article/detail/id/700.html

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大脑前沿》简介

安人心智开设大脑前沿栏目,邀请各位青年科学家,从《自然》(Nature)、《科学》(Science)与认知&神经&心理科学顶级期刊中,分享最新论文进展。欢迎转发,同样欢迎投稿。

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