給大腦裝上開關

鑭鐠

電影《X戰警》中的X教授雖然手無縛雞之力，卻具有讓人害怕的能力：他能感應他人的思維和記憶，還能控制他們的思維和行動。這可謂是殺人于無形了，不僅殺死人的肉身，還要控制人的精神世界，將人變成傀儡。

電影讓我們看得熱血沸騰又心生向往，現實中真的有這種控制人心的能力嗎？

科學家告訴我們，也許終有一天這將不再是幻想，因為現在科學家也正在研究如何在人腦中裝上調控的開關呢。

激光按動開關

我們行走在路上，隨處都能見到路燈，不知道大家有沒有注意到，路燈工作的時間會隨著季節變化而變動？夏天白晝長亮燈晚，冬天白晝短亮燈時間早，天亮后路燈就悄然熄滅了，并沒有固定的滅燈時間。

這是怎么做到的呢，是專人控制的嗎？不是的，這是因為它們裝有光控開關，光控開關感應到自然光的強弱變化，通過光電信號轉換，就能自動控制電燈的亮滅了。受到光控開關的啟發，科學家們也在嘗試給大腦裝上“光控開關”，用激光來控制行為，這種方法被稱為“光遺傳學”。

光敏蛋白就是科學家們尋找到的最合適的“光控開關”。光敏蛋白在生物體中普遍存在，我們最熟悉的就是植物的葉綠素，正是因為有葉綠素將光能轉化成化學能，包括人類在內的各種生物才能生存至今。動物中常說到的光敏蛋白就是視覺色素了，有正常的視覺色素，人類才能看到繽紛多彩的世界。在一些藻類和古細菌身上還有一類視紫紅質的蛋白，它不能產生視覺，而是發揮著與葉綠素類似的功能，它將光能轉化成化學能，滿足它們生存所需。

除了這些常見的光敏蛋白，生物體內還有許多光敏蛋白參與了包括學習和記憶、藥物成癮、運動和睡眠等多種生理過程，如果我們了解了它們的作用，就可以“光控”它們，實現想要的效果。而如果生物體內本身沒有合適的“光敏開關”，科學家們就會用基因編輯技術將光敏蛋白的基因轉入到相關的細胞中，給這些細胞裝上“光敏開關”。安裝好“開關”后，再用激光去“打開”它們，就可以獲得想要的效果。

近年來，光遺傳學技術得到了飛速的發展，各國科學家發現了該技術的多種用途，不僅能防治疾病，還能像X教授一樣操縱生物的情緒和記憶。

美國霍華德休斯醫學研究所的研究人員通過改造視紫紅質的結構，使得它與原先的功能相反，不再激活神經元，而是抑制神經元的活動，這種功能的改變將有利于帕金森病的治療。因為帕金森病的病癥常表現為不由自主的肌肉震顫，而這與神經元被激活相關，如果這種新視紫紅質能被連接到相關的神經元上，并在受到激光調控時降低神經元的活性，將有望成為帕金森病的新療法。

磁熱刺激治療大腦疾病

美國耶魯大學的研究員能用激光讓老鼠化身為“冷血殺手”。他們找到了控制小鼠捕獵行為的神經，在這些神經的支配下，小鼠看到獵物就會追趕攻擊。研究員在這些神經細胞上添加了光敏蛋白，再用激光作為開關去控制這些蛋白。不打開激光時，小鼠表現得很平靜，而一旦激光打開，小鼠就會暴怒，它們會用爪子抓住籠子里的“獵物”，還反復撕咬、“折磨”獵物。

按動“光敏開關”不僅可以激活細胞的功能，有時候它反而會“關閉”某些功能，美國塔夫斯大學的研究人員就利用這一點阻止了青蛙的腫瘤細胞生長。青蛙的腫瘤細胞和哺乳動物的相似，細胞內部帶有與正常細胞不同的正電壓。研究員用激光關閉了青蛙的腫瘤細胞上的光敏蛋白通道，不讓帶正電的鉀離子進入腫瘤細胞，這樣腫瘤細胞就能像正常細胞一樣帶負電了。這種方法能阻止青蛙體內的腫瘤細胞產生，還能讓已經產生的腫瘤細胞正常化。

同樣的“關閉”功能還能用于操縱記憶，美國加州大學戴維斯分校的研究人員用這個方法成功地剔除掉了小鼠大腦中的部分記憶。研究者先電擊籠中的小鼠，標記了這個過程中活躍的大腦細胞，這些細胞會記錄下小鼠的痛苦經歷，并使小鼠在回憶時仍然感到恐懼。隨后研究員將光敏蛋白與這些腦細胞相連，當用激光照射時，光敏蛋白能使這些腦細胞不被激活，結果發現，小鼠失去了曾被電擊的痛苦記憶，不再產生恐懼反應。

磁鐵操縱大腦

已經有許多科學家在研究光遺傳學技術，它能起到非常神奇的效果，但是它的前期準備非常多，不僅要尋找相應的“光控開關”，為了增強神經細胞對激光的感應能力，可能還需要在大腦中植入微小的光纖，開顱手術可能會讓病人感到害怕。這時候不需開顱的“遠程操控”法誕生了。

磁鐵是我們小時候常玩的玩具，它能讓我們體會到“隔空取物”的樂趣，你有沒有想過它還能隔空操縱大腦，讓你不由自主地做出自己不想做的行為呢？這并不難，只要你的大腦也有“磁性”。

美國布法羅大學的研究團隊將磁性納米粒子注入到小鼠大腦中，成功地控制了它的運動，能讓它嚴格按“跑步、稍息和立定”的指令來行動，這個技術叫做“磁熱刺激”。

科學家們先將一些對溫度敏感的基因轉到小鼠的腦細胞中，當溫度升高時，腦細胞會被激活。接著，將特制的磁性納米顆粒注射到大腦中。最后將小鼠放到會變化的交變磁場中，小鼠大腦中的磁性納米粒子在磁場的作用會快速旋轉，產生熱量激活腦細胞，小鼠就會不由自主地“舞動”起來。

讓小鼠動起來的目的還是為了治病。大腦疾病目前還有許多是頑疾。創傷性腦損傷、帕金森氏癥、肌張力障礙和周圍神經性癱瘓等都由特定神經元的損傷或功能失調引起，而我們往往束手無策。但是，如果磁熱刺激技術能運用到人體中，植物人也將有站起來的希望。

不過與光遺傳學可以同時調控多處細胞，且能激活或抑制細胞功能不同，這種方法一次只能激活小鼠單一區域的腦細胞，而不能控制多個區域。比如在這個實驗中，研究團隊只能將小鼠分為三組，分別控制三個區域，這三組小鼠在磁場中都只表現出單一的行為：運動區域的細胞被激活的小鼠，能夠跑得更快;激活紋狀細胞的小鼠，表現出“團團轉”的行為;而當科學家們激活大腦中另一個區域時，小鼠四肢會僵住不動。

聲控開關出世

雖然磁熱刺激技術不需要開顱，但是它的作用范圍卻比光遺傳學窄多了，那么同樣不需要開顱手術的“光控開關”的孿生兄弟——“聲控開關”技術就很值得期待了。

“聲控開關”學名叫做聲遺傳學技術，它是用超聲波來激活腦神經元的方法，目前在線蟲身上進行的實驗獲得了成功。

美國國立衛生研究院等多個機構的研究員們共同參與了這個實驗。科學家對線蟲進行了基因改造，在它的神經元中添加了蛋白質TRP-4，這種蛋白質能夠感應超聲波的頻率變化，并能響應超聲波的指令，讓機體做出相關動作。然后，為了不讓機體其他細胞受到聲波的影響，科學家們用高頻超聲波去刺激線蟲，發現這些聲波確實能使線蟲改變運動方向或停止活動，并且在60分鐘的實驗中都持續有效，而且對線蟲的腦細胞沒有任何損害。

聲遺傳學的原理與光遺傳學非常相似，都是通過給予信號，讓蛋白質改變構造去打開或關閉相應的離子通道，使神經元被激活或停止活動，不同的是聲遺傳學不需要植入光纖，病人的接受度更高。

雖然到目前為止，聲遺傳學還沒有用于人體，但是科學家對它信心滿滿，因為已經發現人體的多種細胞都能進行基因編輯。引入TRP-4蛋白的基因，這樣不僅是神經細胞，產生胰島素的胰島細胞、參與心臟起搏過程的心肌細胞等都可以“裝上”TRP-4蛋白，接受超聲波的控制。

當然，作為一個剛起步的技術，它還存在許多困難。線蟲全身只有302個神經元，想要讓它們接受超聲波的控制，需要在它們的294個神經元上連接TRP-4。而人類的細胞可比線蟲多得多，我們的細胞網絡也比線蟲更加復雜，想要讓細胞接受控制，我們應該在什么細胞上連接多少個聲敏蛋白才有效？再比如，連接了聲敏蛋白后，該提供多高頻率多大強度的超聲波去“按動”聲敏蛋白？一旦超聲波強度超過人體極限，會不會產生意想不到的后遺癥？這些問題都需要實驗才能回答。

操控大腦，讓人們聽從指令，改變人們的性格和記憶，這是非常炫酷的技能。但是我們不希望這些技能被不法之徒掌握，也不希望它們成為新的生化武器，否則好事也將變成災難。

超聲波控制線蟲