遙控大腦不再遙不可及

在德國一個實驗室里，一個很小的蟲子肌肉和神經(jīng)都受到燈光的操縱，可以隨著光的閃動而跳舞——黃燈亮起它就向前猛沖，藍(lán)燈亮起它就猛地后撤，并且可以一直不停地反復(fù)。但它不是玩具，也不是機(jī)器人，而是一種生物。科學(xué)家把它培育出來，是為了用光控制它的神經(jīng)和肌肉。這項研究被譽(yù)為腦科學(xué)的先鋒，利用這一技術(shù)，將來，科學(xué)家便可以隨心所欲地激活或關(guān)閉某些大腦細(xì)胞，這樣人類遙控大腦的夢想就將變成現(xiàn)實。

終極目的

如果輔以燈光直接照射到人頭顱的技術(shù)，我們就可能像小說《美麗新世界》里描述的那樣，對神經(jīng)進(jìn)行改造，抑郁癥和帕金森病就不用吃藥或電極療法，用一束光便可解決。

長期以來，這種技術(shù)甚至能增強(qiáng)普通大腦的功能，比如改善大腦的記憶力、機(jī)敏性和靈活性，精確地梳理神經(jīng)回路，這些美好的遐想原本都是遙遙無期的。直到科學(xué)家們攻克了一個久未解決的難題后才變得具體起來，那就是如何控制一個單獨的神經(jīng)元細(xì)胞。一個神經(jīng)元就是一個帶電體，它的細(xì)胞就像電池一樣充足了電，大約0.1伏特。細(xì)胞膜之間存在電壓位差，神經(jīng)元就靠這種電脈沖來相互交流，上下大約－0.07伏到＋0.04伏。

我們在18世紀(jì)就知道，在大腦植入電極就能讓神經(jīng)元觸發(fā)反應(yīng)。科學(xué)家經(jīng)常用電極來觀察果蠅、老鼠和猴子的反應(yīng)。他們也用電極療法來治療疾病。對藥物治療沒有反應(yīng)的抑郁癥病人可以選擇電痙攣治療法，或者在頭頸里植入一個裝置來刺激迷走神經(jīng)。像帕金森病這種震顫性疾病，可以在大腦特定的點位植放一個電極進(jìn)行深層腦部刺激(DBS)。

DBS現(xiàn)在已經(jīng)被公認(rèn)為比藥物治療更有針對性的治療法，因為它直接作用干腦部的一小片區(qū)域，不像藥物反應(yīng)會遍及整個大腦。

但是，電極目前所做的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，即使它只刺激大腦中一立方毫米的細(xì)胞組織，目前還是嫌大。這一立方毫米包含著成千上萬的神經(jīng)元，它們錯綜復(fù)雜地糾纏在一起。當(dāng)其中一個被激發(fā)時，其周邊的鄰居也被激發(fā)；一只安靜，鄰居們也就偃旗息鼓。科學(xué)家的終極目的是要任意控制開和關(guān)，目標(biāo)越精細(xì)越好。

初步探索

電痙攣治療法在歷史上曾有污點。它盡管治療好了一些病人，卻擦掉了病人的部分記憶。比如海明威在手術(shù)后突然失去了寫作能力，不堪忍受創(chuàng)作力衰減最后自殺。刺激迷走神經(jīng)也會導(dǎo)致痛苦、咽喉嘶啞和呼吸急促等副作用。而DBS更會引起一些奇異的后果，第一次植入電極后就像點了病人的“笑穴”一樣令他們無法控制地大笑，然后讓他們絕望、哭泣，直到關(guān)閉電極后才能恢復(fù)。

以上這些毛病都可以通過調(diào)整電極在大腦的位置來解決，但同時另一些毛病又出現(xiàn)了。有報告指出，DBS讓病人情緒搖擺太快，最后自殺。這些問題最終還是歸結(jié)為電極療法的范圍過大，雖然刺激了你的目標(biāo)細(xì)胞，但另一部分無關(guān)的細(xì)胞也禍及在內(nèi)，真是成也蕭何，敗也蕭何。

幾年來，科學(xué)家始終在尋求更好的方法。如果能讓若干個神經(jīng)元細(xì)胞任意開關(guān)，而周邊其他細(xì)胞不受影響，他們就向目標(biāo)邁進(jìn)了一大步，但這首先必須解決神經(jīng)回路的功能——它們是如何控制復(fù)雜的動作和情緒的。

耶魯大學(xué)神經(jīng)學(xué)家邁森波克試圖突破定向控制神經(jīng)元的難關(guān)。他將一個來自大鼠的基因植入果蠅，這個基因?qū)?yīng)一種離子通道蛋白質(zhì)。在環(huán)境中存在生物能量分子ATP的情況下，該離子通道允許帶電粒子通過細(xì)胞膜，從而傳遞電脈沖。然后，給果蠅注射被另一種分子包裹而處于失活狀態(tài)的ATP分子。在紫外線激光的作用下，ATP分子可以從包裹中被解放出來，啟動離子通道，果蠅的神經(jīng)受到電信號刺激。

實驗顯示，如果該離子通道在控制果蠅爬行的多巴胺能神經(jīng)元中表達(dá)，本來懶散的果蠅會在激光作用下變得過度活躍。如果離子通道表達(dá)在控制果蠅逃跑反應(yīng)的大神經(jīng)中，則激光可使果蠅跳來跳去、抖動翅膀并飛走。

突破瓶頸

邁森波克的辦法遇到了一個瓶頸，那就是如何把感光分子注射到動物的大腦。動物還算好辦，如果是人的話就更危險了。

不過他的問題有人解決。馬克思·普朗克學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)能在線蟲體內(nèi)的神經(jīng)元表達(dá)綠藻的光敏蛋白ChR2，從而使這種線蟲對藍(lán)光產(chǎn)生特定的行為反應(yīng)。

光敏蛋白ChR2存在于細(xì)胞膜上，主要負(fù)責(zé)控制特定離子進(jìn)出細(xì)胞，也是一種離子通道蛋白。離子通道蛋白對神經(jīng)與肌肉細(xì)胞起到非常重要的作用，并受控于化學(xué)分子或電信號，而ChR2蛋白可由特定波長的光線控制。

研究人員在線蟲體內(nèi)的神經(jīng)元與肌肉細(xì)胞中表達(dá)ChR2，然后發(fā)現(xiàn)藍(lán)光能活化這種蛋白并通過光線照射使肌肉強(qiáng)烈收縮。當(dāng)讓機(jī)械力感應(yīng)神經(jīng)表達(dá)ChR2，線蟲在接觸到藍(lán)光時也產(chǎn)生了退后行為。

研究人員還通過電生理實驗確定，線蟲表現(xiàn)的行為反應(yīng)是因為被藍(lán)光活化的ChR2蛋白產(chǎn)生分子流動引起的，而且這種分子流動在藍(lán)光照射時能持續(xù)發(fā)生。和邁森波克實驗不同的是。ChR2本身具有感光性，不需要再向大腦植入感光分子。

藍(lán)光活化神經(jīng)細(xì)胞的反應(yīng)如果不可逆，神經(jīng)細(xì)胞就會過度活躍。于是科學(xué)家們以可逆的方式使用黃光脈沖讓腦細(xì)胞沉靜下來，這可以讓某些疾病如癲癇與帕金森病產(chǎn)生的瘋狂神經(jīng)元獲得控制。這項研究利用了一種名為halorhodopsin的基因，在鹽分極高的鹵水里生存的嗜細(xì)菌中可發(fā)現(xiàn)它的存在。

當(dāng)神經(jīng)元經(jīng)過改造能夠表現(xiàn)halorhodopsin基因，研究者便可通過黃光來抑制它們的活性。光線會活化這種氯化物通道，驅(qū)動氯離子進(jìn)入神經(jīng)元，降低其電壓，并抑制其發(fā)射。這種抑制效應(yīng)對于因神經(jīng)元發(fā)射失控而產(chǎn)生的疾病相當(dāng)有效。

藍(lán)光激活沉默的神經(jīng)元，黃光抑制瘋狂的神經(jīng)元。一藍(lán)一黃，像開關(guān)一樣，對單一神經(jīng)元的刺激與抑制進(jìn)行精確的控制。于是有了文章開頭遙控線蟲的那一幕。

接下來，研究人員還將對ChR2、halorhodopsin和其他相關(guān)蛋白進(jìn)行深入研究。這些研究將有助于了解神經(jīng)之間和神經(jīng)與肌肉問的通訊，可能導(dǎo)致在將來的某天能通過遠(yuǎn)程控制來活化動物體內(nèi)不同的神經(jīng)與肌肉，從而促進(jìn)了解和人為地控制某些復(fù)雜的動物行為。