TED 艾德·博伊登:神经的光控开关
作者: TED / 5113次阅读 时间: 2015年10月08日
来源: Ed Boyden 标签: TED 神经元
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艾德·博伊登:神经的光控开关心理学空间.c wbUO3mDz
Ed Boyden: A light switch for neurons
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花点时间回想你的一天 你清晨醒来,走出房门的时候感受到清风拂过你的脸颊 巧遇新的同事,与其谈天说地 当你发现新事物时则心怀敬畏 但我确定今天会有些你没有想到的事情-- 一些如此贴近生活的 但你可能完全忽略的事情。 其中包含的所有的感知能力,感情 决策和行动 都直接受控于在你头部的电脑 叫做大脑的部分。

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大脑看可不像外表看起来那样-- 只是几磅桃灰色的肉块, 非结晶的固体-- 但是经过上百年积淀的神经学 让我们能进一步的研究大脑, 并了解大脑的错综复杂。 研究告诉我们大脑 是由上千亿个神经元细胞 组成的难以想象的复杂电路 不同于人类设计的电脑 那种由较少的不同元件组成的-- 我们了解它们如何工作,因为是我们人类设计出了它们-- 大脑由上千种不同的细胞组成 也许是上万种 它们分化成不同的形状;它们分泌出不同分子; 它们延伸并连接大脑的不同地区。 它们对于不同的疾病也表现出不同的方式。心理学空间.a&L.KA2` @:qvq @

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说的具体一点 有一种细胞, 一种较小的,抑制性细胞,能够抑制周围细胞。 这是一种其萎缩能导致类似神经分裂症状的细胞 这叫做篮细胞 它是我们正在研究的成千上万种细胞 中的一种 每天都会有发现新型的细胞。 第二个例子: 这些锥体细胞,大型的细胞 他们分布在大脑的很多部位 它们易受刺激。 其中的一部分细胞 可能会因过度的活动而导致疾病类似癫症。 这些细胞中每一个 都是一个神奇的电子元件 它们从上游细胞接收信息 然后编辑出它们自己的输出信息, 然后,如果这些信息通过了特定的界限, 就会传递到下游上千个细胞那里。 这个仅仅会花费一毫秒左右的时间的过程 在你身上的每个1万亿个细胞中 每分钟发生上千次, 只要你活着 思考着感受着。心理学空间o-de d^:h

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我们将如何解释这些回路的运作呢? 主观上,我们能刺激这些回路 把不同种细胞反复刺激 看我们是否能了解 哪种细胞作用于特定的功用 哪种细胞出错会引起特定的病理 如果我们能激活细胞,我们就能了解它们能释放哪种能量 他们是如何启动和维持的. 如果我们能把它们全部切断 我们就可能弄清楚它们的必要性。 这就是今天我要告诉大家的故事。 老实说, 我们试图寻找方法 来控制大脑中的回路,细胞,部分的组织还有 它的传输途径 这不仅是对科学的探索, 也是直面人类所面临的 一些问题。

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在我告诉大家这项技术之前 坏消息是我们之间的绝大数人 如果你们活的够久远的话 将会面临,也许,脑部疾病 如今,10亿人 已经患有某些脑部疾病 阻碍它们生活 虽然这数字无法准确的表现出其严重性 这些疾病--精神分裂症,老年痴呆症 抑郁症,成瘾症-- 它们不仅榨取我们的生命,而且篡改我们生存的意义 它剥夺了我们的性格也改变了我们的情感-- 更改变了我们做人的本质 如今在20世纪, 通过治疗脑部疾病的 制药业的发展浮现出的一些希望 同时很多药物被研发出 能减缓脑部疾病的症状 实际上没有那种病被认为是能被治愈的 其中一部分是因为,我们大脑浸泡在化学物质当中 这复杂的回路 由上千种不同类型的细胞组成 正浸泡在液体当中 这也是为什么,市面上大部分的药物,不全都 会引起某些严重的副作用。

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如今有些人通过在大脑植入电击器 来改善某些疾病。 对于帕金森症 耳蜗移植电击器 的确能够 带给患有一些特殊疾病的患者 一些治疗效果 但是电流还是会往四散开去-- 找软柿子捏(从阻碍最小的地方通过) 这也是这句谚语的,部分的,出处 电流不仅作用在我们需要修复的细胞还会影响到那些正常的回路 再一次,我们绕回到了 超精确控制的问题上 我们是否能把信息精确的传输到我们想要地方?心理学空间%SO's-Khz^#u f

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当11年前我开始研究神经科学 我受训成为一个电学工程师和物理学家 而且第一件我想到的事 如果这些神经元是电子元件 所有我们要做的是找到某些方法 在一定距离控制电流的变化 如果我们能刺激单独一个细胞 而不牵涉它周边 那就我们就有了能激活和关闭各种不同细胞的工具 了解它们的作用和他们如何作用 在它们位于的脑部网络 同样这给了我们需要的超精确控制 来修复出错 的回路 如今我们将怎么做呢? 自然中有很多分子 能够把光转化为电流 你可以把它们看做小蛋白质 像太阳能细胞 如果我们能用某种方法把这些分子注入到神经元中 这些神经元就能转型成光控的电子元件 那些周边的细胞,那些没有接受分子的,就不会转型 另外还有一个你需要知道的小窍门, 就是把光注入脑中。 这么做--大脑不会感知到痛苦--你能-- 充分利用脑中 类似互联网和沟通的功能-- 把光纤连接到激光束中 以此来激活,比如说动物的细胞 在潜伏期的研究中 要了解这些神经元的功用

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2~7TnFB?0那我们应该怎么做呢? 大概在2004年 在与格哈德·内格尔和卡尔·戴斯洛合作的时候 假想得到了最终的成功 自然界中有一种特定的海藻 它就有趋光性 来达到最理想的光合效果 它用一个小眼点来感知光线 但其工作原理和人眼大相径庭 在它的细胞膜,或者它的边界 含有少量的蛋白质 能把光转化为电流 这些分子被叫做槽型视紫质(TRB) 这种蛋白质就像我告诉过你们的太阳能细胞那样运作 当蓝光照射时,它会打开一个小口 允许带点的微粒进入眼点中 这样眼点就有了电信号 就像是用太阳能细胞给电池充电一般

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Z|8NrJ{`b'v!{l-v0我们需要做的就是提取这些分子 然后用某种方法注入到神经元中 同时因为这是蛋白质 由生物的DNA编码而成 所以我们所要做的就是提取DNA 注入到基因载体上,比如病毒 然后把病毒注入到神经元中 结果证明基因载体是一个很直接的方法 病毒长驱直入 证实了操作的简易性 在2004年夏天的一个早晨 我们实物操作了一番,第一次尝试有了起效 你提取出DNA并注入到神经元中 神经元用它自身的蛋白质合成器 来组装出这些小型的光敏蛋白质 并使其分不到细胞各处 就像在顶层架设太阳能板 接下去 你就有了个光敏的神经元 这是个很有效的工具

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,~!v ?h)Y\} ^0你要做的步骤 就是设法把这些基因注入到你需要的细胞内 而不是其他周边的细胞 你可以完成;你能转变这些病毒 让它们只针对一些细胞而涉及到其他细胞 还有其他基因方式能 得到这种光敏细胞 如今这领域叫做光遗传学 举个例子来说明你要做的, 你可以在一个复杂的网络系统 利用一种病毒来传递这种基因 在密集的细胞区域只针对一种细胞 接着当你照射整个区域的时候 只有那些特定的细胞被激活

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比如说,用篮细胞来做例子会更简单一点 就是那种萎缩导致精神分裂 有抑制作用的细胞 如果我们能把基因注入到这些细胞中-- 而且他们不会引起基因的表现型有所改变-- 接着用蓝光照射整个脑组织 只有蓝细胞会被激活 而当无光线的时候,这些细胞就变回普通的细胞 没有产生不良的后果 不仅你能了解到这些细胞的功用 在大脑运作中它们的能效 而且你也能尝试解决-- 也许我们可以激活这些细胞的活性, 如果它们真的萎缩的话。

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现在我想告诉你一些小故事 关于我们怎么利用这技术的, 在科学,临床阶段和临床前阶段的研究。 在我们遭遇到的问题中有一个 是,大脑用什么样的信号来代表奖励的感觉呢? 因为如果我们找到的话 那能够驱使细胞学习的信号 大脑就会为了奖励竭尽全力 同时也是这些出错的信号引起疾病类似成瘾症 如果我们能够知道是哪些细胞的话 我们可能就有新的靶细胞 来专门设计或者挑选药物来对抗疾病 或者找到植入电击器的位置 来帮助那些有着严重残疾的病人 为了做到这些,我们想出了一个简单的例子 在菲奥雷拉集团的协助下 在盒子的一边 如果动物经过这里,就会被光波照射到 来区别不同细胞对光的感应能力. 那如果这些细胞是识别为被奖励的 那动物就会多次的经过那里 这就是大致的经过心理学空间[v&e HvBV

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&d-]5Lb(c$cy0动物会向右转并用鼻子顶那块地方 每次它做这个动作就会有一道蓝光照射 那它就会为此重复千上百次 这些是多巴胺神经元 你们中的一些可能可能听说过它在大脑的快感中枢某处 现在我们所展示的简短的步骤 就足够,确定的,来诱导学习行为 如今我们概括出大致的观点 不是大脑中的某一点 我们可以发明一些能够桥接大脑的设备 来把光照射成三维的模式-- 利用光纤的巧妙排列 每个光纤都有自身独立的微型光源. 接着我们在生物体上试验 测试那些已经在培养皿中完成的实验-- 就像是给整个大脑做了高速的扫描一般 来确定特定的信号会触发哪些特定的事情 或者它们会成为临床上很好的 治疗脑部疾病的新目标心理学空间Js(R-_qUu

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另外一件我想说的事是 我们如何寻找靶细胞来治疗创伤后应激障碍-- 这是一种不受控制的焦虑恐慌的症候群 我们要做的一件事 接受一个经典的恐怖模式 那就回到了巴甫洛夫的时代 也被称作巴甫洛夫恐惧条件反射 在响声后的短暂电击 电极并不疼痛,但是有点烦人 久而久之--这里的例子,老鼠 是一个很好的动物典型,在试验中广泛使用-- 动物学会去害怕响声 会表现出呆滞的反应 有点像鹿被车灯照射后的反应一样 如今的问题是,大脑中哪些目标位置 能让我们克服这种恐惧? 我们所做的就是再一次播放那 当已经和恐惧联系起来的响声 但是我们激活大脑中的靶细胞,每次不同的位置 利用光纤阵列来演示出之前那样的图片 来尝试找出能让大脑克服 恐惧记忆的靶细胞

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10:40

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LR'[:lo&t L,f-VU)z0这简短的录像 展示给大家一些我们正在研究的几个靶细胞 这是前额皮层的一部分 一块能让我们用感知来尝试克服厌恶情绪的区域 动物将听到同样的响声--以及一束光线 光线不伴随声音,但是你也能看到动物呆滞的反应 这声响意味着坏的消息 在左下角有个小型的闹钟 你能看到老鼠用了大约两分钟僵立在那里 下一个片段 是八分钟之后 同样的响声,和相同的光线再一次的出现 好,开始了,就现在 正如你所见,只用了10分钟的实验 我们就用光激活了大脑的这部分区域 来克服恐惧记忆 的表现行为

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近几年里,我们正回溯本源 因为我们想找到控制大脑的方法 如果我们能够控制的话,那就可能是极具影响的 如果让细胞失效就算几毫秒或者几秒的话 就能了解到它们所在位置的脑电路 所扮演的本质的角色 如今我们已经调查了生物界所有的生物-- 所有生物除了动物,我们并没有发现太大的差异。 我们发现了各种各样的分子,被命名为感光紫红蛋白或者远古感光蛋白 会对绿色和黄色光线作出反应 它们的反应是与之前我所提到的蓝光 活性槽型视紫质的反应恰恰相反

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11:52

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#d$G3k}Veh0举个例子来说明具体的情况 比如说癫痫这个症状 起因是大脑过度活跃 如果癫痫药物治疗失败 其他一种方法就是移除那部分大脑 但是这显然是不可逆的过程,而且会引起副作用 那如果我们让那部分大脑休眠一会儿 知道症状全部消失 再让大脑恢复到原来的阶段-- 就好像把一个活跃的系统诱骗到一个稳定的系统一样 这动画只是为了解释 我们能利用光源来控制脑细胞这个概念 当我们用光照射时 照射的时间也仅仅是能够刚好让症状消除 我们希望实验能够成功 暂时我们还没有这方面的实验数据展示给大家 但是我们对此充满期待

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现在我想用一个故事来结束我的演讲 我们认为此技术能有其他用途--- 如果能超精确控制这些感光蛋白 能够在脑中 形成一个新型的假肢,光学的价值 我曾说过,电击器并不普遍 如今只有75000位帕金森病人植入了脑部电击器 大约10万人在耳蜗中植入电击器 通过这样来恢复他们的听觉 另一件事,就是你要让这些基因细胞移植入细胞中 基因治疗的新希望也就此诞生了 因为像腺类病毒这类病毒 可能我们大多数都有携带 但它不会引发任何症状 它已经在上百名病人体内应用治疗 来转送基因进入大脑或者身体内 目前为止,还有没有因为此病毒 而引起任何严重不良反应的报告心理学空间ZK)~ wDw2kL*v

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GAO)b&p3rh Y.ai0还有最后一点要重视的大隐患,就是蛋白质其本身 那些来自于藻类,细菌以及真菌 以及来自生物界的各种蛋白质 我们大多数脑子没有真菌或者藻类的存在 那如果我们把它们放入脑中会怎么样呢? 我们大脑是否会排斥它?免疫系统是否会反应? 早期的时候--我们并没有在人体里做实验-- 但是我们做了其他各种研究 来评估这方法 目前为止,我们还没有因这些分子或者 因光照大脑 而产生的严重不良反应 这还是初步的研究,就算如此,我们很激动

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我想用一个故事来结束我的演讲 我们认为这有可能 成为一种临床的疗法 失明有很多种类 大多关于 我们的眼球内部的光受体的损害。 我们的视网膜是个很复杂的结构 我们来放大,仔细研究一下 照片中的感光受体在顶部 被感光受体接收到的光信号 经过各种转化 最终从上而下,从神经节细胞 传输信息到大脑出 以此来获得视觉 很多种类的失明,比如色素性视网膜炎 或者黄斑部变性 感光细胞是萎缩或者有损伤的 那我们如何才能修复呢? 还没有证据证明药物可以对治疗这些疾病 因为还没有针对的特效药 但是,光还是能进入眼球的 眼球还是通透的,你也能看到光线能够进入 所以,如果我们能把这些单细胞感光紫红质蛋白和其他分子 注入到那些正常的细胞中 把它们转化为一台台小的摄像机 因为眼球内部有很多细胞 有可能,他们会成为高清的相机

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这就是我们所在做的 我们合作人之一 艾伦·霍斯葛 也正在美国卫生研究所的资助下将其技术 商业化运作 现在你所看到的是一个走迷宫的老鼠 这是六臂的迷宫,迷宫中有些许水 来刺激老鼠移动,否则它只会呆在某处 当然,这迷宫的目的 是为了让水流入一个 顶光源的平台 老鼠很聪明,最终走出了这迷宫 但是这是靠蛮力解决的 它游过了每条分支最终才找到了平台 所以它没有利用视觉来解决这问题 这些老鼠有着不一样的突变基因 各自代表着人类不用种类的失明症状 所以我们有很小心的探索不同种类的失明情况下 找出一个普遍的解决方法心理学空间 of3_Q*tBP

qwmZ5u8@t9P+X015:30心理学空间 V rG6Is(t*d8S c

#f(W5x6r(UbB:MU'yT0那我们如何解决呢? 我们就完全按照之前片子里讲的那样 把蓝光感光蛋白 注入到眼球最后方的视网膜的 一层细胞上 把它们转化为一台台相机 就好像这些神经元上布满了太阳能细胞一样 让它们接受光信号 并把光信号转化为电信号 这老鼠实验前几周就瞎了 只接受过一次携带有感光受体分子的病毒注射 你现在可以看到,老鼠能够避开墙壁 找到有亮光的平台 视觉得到了恢复 为了指出其中的意义: 这些动物走到平台的时间 和那些没有瞎的东西用时是一样的 虽然还处于临床前阶段 但是我认为这是个好兆头 未来我们希望我们能够成功心理学空间xe&L/Z^ Sd

DVaGt!_7O T;gB016:14

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最后,我想指出我们正研究的一种 针对神经科学这新领域的商业模式 我们发明了这些工具 但是我们愿意和全世界的人共同分享 这样人们才能进一步研究并尝试治疗其他各种疾病 我们希望,通过了解大脑的神经网络 通过某种程度的手术,能让我们修复并设计神经网络 我们会继续研究我之前讲过的几种疾病 特别是那几种从未被治愈过的 他们在21世纪将会成为历史心理学空间)WT,O#CH

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16:38心理学空间8jdr } Z

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谢谢

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16:40心理学空间7S%W4hP/{2[~

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(掌声)

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Juan Enriquez(JE):您的演讲有些深奥啊。 (笑声) 但是利用光 来控制癫痫或者抽搐 而不是用药物 还要能够精确地控制靶细胞 是第一步。 据我所听到的,第二步 是用两种色彩的光来控制大脑 就好像开关一样

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17:17

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艾德·博伊登(EB):没错.心理学空间"Wo6[4D(O&u @K.E\(Im

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JE:这让每个大脑中的神经冲动变成二进制的代码心理学空间1k4\*i&X/T3X{Q

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17:22

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H+K,@f8^0EB:是的 当蓝灯亮起时,我们能传输信息。就类似于代码1 等光关闭了,就类似代码0 我们的希望是最终建造一个大脑协同处理器 来和大脑一起运作 以此来帮助那些有残疾的人

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a&@Cci017:36

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1O6M1n9z;}1r4M/gM0那就是理论上,这代表着 老鼠的感觉,嗅觉 听觉和触觉 你都能把它整合到一串0和1心理学空间'[6@"eb1z

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17:45心理学空间%Mx%F-Qb O!t

@ME,R` |0EB:的确是这样的。我们希望通过这种测试 来确定哪种神经代码代表着哪种行为举止 或者是想法或者感受 通过这样来更多的了解大脑

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17:54

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JE:这是不是意味着某天你能下载记忆 或者上传记忆呢?

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17:59

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5X{:[,_c*N4_\Avs@[0EB:我们着手的某些工作是很复杂的 我们还在继续的研究 我们也在尝试去标记下这个大脑记录数据 我们就能记录信息,并把信息传输回大脑-- 类似于了解什么是大脑所需的 来增强它的信息处理效率.心理学空间 r#pu Q1bA.O2pR)o

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b,L,gR [*VF Upn0JE: 嗯,这会改变我的世界的。谢谢! (EB: 谢谢.)

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(掌声)

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