互动科普

遥控大脑

撰文  杰罗·米森伯克（Gero Miesenbock）

翻译  冯泽君

1937年，英国牛津大学的神经科学家查尔斯·斯科特·谢灵顿（Charles Scott Sherrington，1932年诺贝尔生理学或医学奖获得者）曾对大脑的工作原理做过经典描述。在他的想象中，神经元活动时会发光：人们入睡后，只有极少数神经元在发光；而在清醒状态下，大脑就像“在举行宇宙舞会的银河，上千万个光点在其中迅速穿梭，织成一张不断变换的光网，协调着大脑各区域间的联系”。

谢灵顿可能并未意识到，这一诗意十足的描述中，包含着一个非常重要的科学观点：让神经元发光，就可以直接观察大脑的运作机制。实际上，神经元如何产生意识与行为，一直是生物学界公认的大难题，因为科学家无法观察整个神经回路的运作。目前常用的研究方法，是用电极记录少数神经元的活动，得到的试验数据也仅是冰山一角，不能反映整个神经网络的活动情况。如果我们能“看到”神经元间如何联系，也许就能推测出神经回路如何形成、大脑如何工作。对于神经科学家而言，“直接观察神经元”颇具诱惑力，并开始尝试把谢灵顿的想象变成现实。

科学家的不断尝试，催生了一门新学科——光遗传学（optogenetics），即将基因工程与光学结合起来，研究特定类型的细胞。目前，科学家已将多种细胞的活动变得可视化，甚至还能用光遥控神经元。这些成果展示了光遗传学的光明前景：它不仅能让神经科学家用肉眼观看整个大脑的神经回路，还能帮助医生为病人治病。

合成神经染料

上世纪70年代，科学家开始尝试将谢灵顿的梦想变为现实。神经系统就像电脑，有电才能工作。神经元将信息编码成电信号［即动作电位（action potential），电压不到一节5号电池的1/10］，这些信号会促使神经元释放神经递质（一种化学信号分子），激活或抑制回路中与自己相连的另一个神经元。为了能“看见”这些电信号，美国耶鲁大学的劳伦斯·B·科恩（Lawrence B. Cohen）测试了很多荧光染料对电压变化的敏感性（电压发生变化，染料就会变色）。最后，他找到了一些具有电压敏感性的染料，只要用这些染料给神经元着色，就能在显微镜下观察神经元的活动。

除了电压，神经元内离子浓度的变化也能使荧光染料的颜色发生改变。神经元产生动作电位时，膜上的钙离子通道会打开，让钙离子流入神经元内，促进神经递质的释放。1980年，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的钱永健（Roger Y. Tsien，2008年诺贝尔化学奖得主）开始合成对钙离子浓度敏感的染料，它的荧光强度会随钙离子浓度的变化而变化。在神经学领域，这类染料的合成具有重大意义，为研究单个神经元或小型神经元网络信息处理过程开辟了新的途径。

但合成荧光染料有个严重缺陷：神经组织中有多种神经元——据估计，小鼠大脑中含有数百种神经元，还有数不清的支持细胞（support cell，主要为神经元提供支持、供给营养、维持环境恒定），而神经系统处理信息的基础，正是不同神经元间的相互作用。因此，要了解一个完整神经回路怎么工作，就得将回路中的不同神经元区分开来，并监控每个神经元放电的时间。然而，科学家利用合成染料染色时，所有神经元都被染上同一种颜色，无法区分不同类型的神经元。

荧光蛋白

科学家意识到，利用基因工程方法可以解决合成染料无差别染色的问题——正是这一想法，催生了光遗传学这门新学科。人体内每个细胞都有一套相同的基因，但不是每个基因都会表达，细胞间的差别就是基因表达差异造成的。在合成神经递质多巴胺时，多巴胺能神经元（即释放多巴胺的神经元）需要一系列蛋白酶，因此在这类神经元中，编码相应蛋白酶的基因处于活跃状态，而在其他细胞中，虽然也存在相关基因，但不会表达。

从理论上来说，如果把控制多巴胺合成的基因开关和编码染料的基因连接起来，再通过基因工程方法转入动物体内，那么在不计其数的动物细胞中，就只有多巴胺能神经元可以制造染料。当科学家观察动物的大脑时，将看到多巴胺能神经元发出的荧光，从而将它们与其他神经元区别开来。更重要的是，科学家还可以在活体动物上进行观察。合成染料无法实现这一点，因为它不受基因开关的控制，不能在特定细胞中表达。因此，染料必须由基因编码——也就是说，染料必须是一种蛋白。

10年前，我和钱永健、加利福尼亚大学伯克利分校的埃布德·Y·伊萨科夫（Ehud Y. Isacoff）、现任职于耶鲁大学的詹姆斯·E·罗斯曼（James E. Rothma）分别带领各自的研究小组证实，基因编码的蛋白荧光染料的确可以反映神经元的活动。我们使用的染料基因都来自发光海洋生物，比如能合成绿色荧光蛋白的水母。在实验中，我们对染料基因进行了一些修饰，让它们的蛋白产物能检测并显示细胞内电压、钙离子浓度和神经递质释放情况的变化，因为这些细胞参数能反映细胞间信号传递状况。

实验取得初步成功后，我们又开始培育一些特殊的动物：在它们体内，只有特定神经元可以合成荧光蛋白。为了培育出这样的动物，我们试用了线虫（worm）、斑马鱼（zebra fish）、小鼠等多种动物，最后发现果蝇（fruit fly）最有可能成为理想的动物模型：果蝇大脑小巧、结构紧凑，在单一显微镜视野下，就能观察整个神经回路；改造果蝇基因的难度较低，因为在此之前，科学家已研究果蝇上百年，鉴定出很多可用于特定神经元的基因开关。正是在果蝇的大脑中，我和明娜·额（Minna Ng）、罗伯特·D·罗尔达（Robert D. Roorda）拍摄到了第一张神经信息在特定神经元间传递的照片。当时，我们都任职于美国纽约的纪念斯隆－凯特琳癌症中心（Memorial Sloan-Kettering Cancer Center in New York City）。凭借这些图片，我们发现了新的神经回路结构及其运作机理。去年，我们发现，果蝇的气味信息处理回路会给神经系统制造“背景噪音”，我们推测这是为了放大微弱的输入信息，提高果蝇对气味的敏感度，从而更有效地寻找食物。

荧光蛋白已成为研究神经元交流的强力工具，但在上世纪90年代，我们还面临一个难题：多数研究方法都不能直接观测神经活动。通常，科学家在目标脑区插上电极，再让受试者看图片、听声音或闻气味，以刺激大脑作出反应，最后用电极记录到的神经信号来构建信号通路。但在传递过程中，神经信息会不断地被重构，离信息输入处（眼睛、耳朵和鼻子）越远，越难分析记录到的反应代表什么信息。而且，上述研究方法不适用于感觉信息处理回路外的其他回路，比如运动、思想和情绪回路，因为感觉刺激不能直接激活这些回路。

光控神经元

如果可以不通过外界的感觉刺激而直接激活特定神经元，也许能解决这一问题。我们想到，能否开发一种既能监测神经元活动、又能激活特定神经元的“工具包”呢？

我和我指导的第一位博士后、现任职于霍华德·休斯医学研究中心的博里斯·V·泽梅尔曼（Boris V. Zemelman）开始解决这一难题。我们认为，如果能构建出由基因编码的光控蛋白启动元件，就可以克服电极记录法遇到的困难：在实验动物的大脑上，研究人员一般只能插上少量电极，能够监测或刺激的神经元很有限；普通电极难以锁定特定神经元，而且由于电极必须固定，研究人员无法记录活体动物大脑内的电信号。

如果我们能利用基因开关寻找特定神经元，并用光线控制这些细胞，就不必事先知道它们位于大脑中的哪些区域，即使它们的位置随动物的活动而改变，也不会影响我们的观测。

只要刺激含有蛋白启动元件的神经元能引起动物行为的改变，就说明这些神经元所在回路与行为的改变有关；与此同时，神经元被激活时会发出荧光，暴露它们在神经系统中的位置。设想一下，如果每个实验动物都有一类细胞含有蛋白启动元件和染料基因，通过多次重复实验，我们就能弄清楚神经活动与行为改变间的关系、神经信号的传递顺序，并鉴别出控制行为改变的神经回路的所有“成员”。但要实现这个设想，我们得构建一个能接受光能、并将光能转化为神经冲动的蛋白启动元件。

要寻找这样的蛋白，首先应从对光敏感并能将光信号转化为神经冲动的细胞着手，比如我们眼睛里的光感受细胞就含有光能“接收器”——视紫红质（rhodopsin）。这种物质吸收光能以后，将改变细胞膜上离子通道的闭合状态，从而影响离子流向，产生电信号。我们把编码视紫红质的基因（还有一些辅助视紫红质发挥功能的必需基因）转入了体外培养的神经元。利用这个“简单装置”，我们就能检测含有外源基因的神经元能否在光照下产生动作电位。2002年初，我们的实验成功了，第一个蛋白启动元件问世。

会飞的无头果蝇

最近，科学家还找到一些对光敏感的蛋白来合成蛋白启动元件，比如视网膜细胞中的黑视素（melanopsin），这种蛋白能让人体生物钟与地球自转周期同步。德国马普生物物理研究所的格奥尔格·内格尔（Georg Nagel）、美国斯坦福大学的卡尔·德塞罗斯（Karl Deisseroth）和凯斯西储大学的斯特凡·赫利策（Stefan Herlitze）发现的另一种光敏蛋白ChR2（channelrhodopsin-2，能帮助藻类植物确定游动方向），也很适合用作蛋白启动元件。我和伊萨科夫以及他的同事理查德·克雷默（Richard Kramer）、德克·特劳纳（Dirk Trauner）也合成了多种能被光敏化合物激活的蛋白启动元件。

接下来的工作，就是验证上述蛋白启动元件能否用在活体动物上。我把这个任务交给我的研究生苏珊娜·Q·利马（Susana Q. Lima）。我们首先把果蝇大脑内的一个简单回路作为实验对象。这个回路仅由几百个神经元组成，与果蝇的逃跑反射有关——一旦感受到空气流动，果蝇立即振翅起飞。果蝇大脑内约有15万个神经元，而触发逃跑反射一系列动作的，仅是其中两个（即指令细胞）。这两个神经元会发出指令，激活次级神经回路中的细胞（动作模式发生细胞），指挥腿部和翅膀肌肉的运动。

我们发现，在指令细胞和动作模式发生细胞中，都存在一种特有的基因开关。于是，我们对两组果蝇进行了基因改造，其中一组的指令细胞会合成对光敏感的蛋白启动元件，而在另一组中，则是动作模式发生细胞产生启动元件。当我们用能穿透动物表皮，直抵神经系统的激光照射果蝇时，两组果蝇都飞了起来！这一结果证实，指令细胞和动作模式发生细胞都参与了逃跑反射，同时也证明蛋白启动元件起作用的方式与我们预想的一致。由于只有含有蛋白启动元件的细胞才能接收光刺激信号，因此我们不需要把激光对准特定细胞。这就好比我们向某地区15万户家庭发送无线电波，只有购置了接收器的家庭才知道电波内容，而其他人什么也不知道。

然而，这个实验还存在一个问题：启动逃跑反射的指令细胞也会接受视觉信号。当光线突然变暗时，果蝇收集到的视觉信号就会触发逃跑反射。在实际情况中，这可能代表逼近的掠食者投下的阴影。（这很容易理解，想想看，每当你试图拍打苍蝇的时候，它是不是总能很快察觉，拍拍翅膀飞走？）因此，我们担心激光也可能是通过视觉途径引起逃跑反射，而不是通过直接控制指令细胞或动作模式发生细胞来实现的。

为了排除这种可能，我们又进行了一个简单而残忍的实验：切去果蝇头部。没有头的果蝇还能存活一两天，躯干中的胸神经中枢类似于脊椎动物的脊髓，里面还保留着完整的动作模式发生回路。用激光照射这个回路，无头果蝇也飞了起来。尽管飞得跌跌撞撞，但有力地证明激光可以控制动作模式发生回路，因为无头果蝇没有其他方式来接受光线了。（无头果蝇笨拙的飞行，也生动说明莱特兄弟的发明之所以称得上伟大，是因为他们创造了受人控制的动力飞行装置，而不仅仅是简单的动力飞行装置。）

我们还培育了一种基因工程果蝇，在它们体内，只有能分泌多巴胺的神经元才具有对光敏感的蛋白启动元件。当我们用激光照射这些果蝇时，它们突然活跃起来，在巢穴附近不停乱蹿。曾有研究表明，多巴胺可以帮助动物预计可能得到的奖励或受到的惩罚，因此我们观察到的现象或许可以这样解释：在光的照射下，果蝇对收获和损失的预期发生变化，开始以不同的“心态”探索周围环境。

控制动物

我们把上述实验结果整理成论文，投往《细胞》杂志。在论文正式发表的3天前，我飞往洛杉矶举行一个讲座。一个朋友曾送给我一本汤姆·沃尔夫（Tom Wolfe）的最新成长小说《我是夏洛特·西蒙斯》（I Am Charlotte Simmons），他认为这本书肯定会引起我的兴趣，因为书里不仅对神经科学家作了详细描述，还赢得了由英国《文学评论》杂志（Literary Review）评出的“小说类最糟性爱奖”（Bad Sex in Fiction Award）。当我在飞机上阅读这本小说时，其中一段描述的确引起了我的注意：在一个讲座上，主人公夏洛特介绍了一个名为何塞·德尔加多（José Delgado）的西班牙人，他能遥控动物行为，不过用的不是光控蛋白启动元件，而是事先在动物大脑中植入的电极，用无线电信号遥控动物。为了证明自己的方法能控制一头发怒的公牛，德尔加多甚至拿自己的生命做赌注。夏洛特还在演讲中声称，德尔加多的研究是神经生物学的转折点，彻底否定了二元论（dualism）——该理论认为，意识独立于大脑的存在。如果德尔加多对大脑的生理控制能改变动物的意识，那么两者必定是同一种存在。

看到这里，我兴奋得几乎从座位上跳起来。何塞·德尔加多是沃尔夫虚构的，还是确有其人？一下飞机，我就上网搜索，结果找到一张拿着遥控器的斗牛士以及他与斗牛的合照。我了解到，何塞·德尔加多曾是耶鲁大学的一位教授，他的研究就是在我们研究所展开的，算起来还是我的前辈。1969年，德尔加多还出版过一本书，名为《意识的生理控制：迈向心理文明社会》（Physical Control of the Mind: Toward a Psychocivilized Society），他在书中阐述了他为实现控制动物行为、唤起动物记忆与想象、激发愉悦与疼痛而作出的种种努力。在书的结尾，德尔加多讨论了控制大脑可能对医学、伦理学、社会学以及战争造成的影响。正是因为有了这些背景资料，我们的文章在《细胞》上发表当天，一位美国记者打电话问我：“什么时候才能遥控‘果蝇部队’进攻其他国家？”时，我才没有表现出特别的惊讶。

不过媒体的关注并没有就此止步。第二天，美国德拉吉报道网登出头条新闻——《科学家制造出遥控果蝇》，引起的轰动程度甚至盖过歌星迈克尔·杰克逊出庭的新闻。大约一周后，在晚间访谈节目《今晚秀》（the Tonight Show）上，美国名嘴杰伊·莱诺（Jay Leno）遥控一只果蝇，让它飞进了布什总统的嘴里——这是我们发明的新技术的首次应用，创意大概就来自德拉吉报道网的新闻。

此后，科学家开始利用光控元件控制动物的其他行为。2007年10月，德塞罗斯和同事路易斯·德莱塞亚（Luis de Lecea）发表了小鼠实验的结果。他们利用光纤直接照射小鼠分泌下丘脑分泌素（hypocretin，一种神经信号）的神经元，观察这些神经元能否调节睡眠。研究人员曾发现，缺乏下丘脑分泌素受体的犬类成天昏昏欲睡，因此认为下丘脑分泌素具有调节睡眠的功能。实验结果显示，激活脑内分泌下丘脑分泌素的神经元，会使已睡着的动物清醒过来，这一结果支持了先前的推测。

在耶鲁大学的实验室里，我的博士后迪伦·克莱因（Dylan Clyne）用蛋白启动元件研究行为的性别差异。多数雄性动物在追求异性时会不遗余力。雄果蝇会不停振动一只翅膀，用振动出的“旋律”来吸引雌性。为了研究雄性的这种行为如何产生，克莱因通过光线照射，来激活产生这一行为的动作模式发生回路。结果发现，雌性也具有这一回路，只是在正常情况下，它们不能发出激活这一回路的神经信号。克莱因的发现说明，雄性和雌性的神经回路基本一致，性别差异的出现是由于某些启动开关只存在于一种性别的动物体内。

光遗传学疗法

在研究中，很多科学家一般只向神经元转入染料基因和启动蛋白基因中的一种，但事实上，我们完全可以同时转入这两种基因。未来，我们希望能向大脑转入更多的染料基因和启动蛋白基因，这样就能在同一个体上同时研究各种类型的神经元。

我们对神经回路的最新认识，为基础研究创造了很多机会。那么，这些认识有没有实际应用价值呢？或许是有的，不过我觉得这一点已被媒体宣传得有点言过其实了。德尔加多鉴定出了一些大脑区域，控制这些区域内的神经元，能改善多种疾病——比如运动失调 （比如利用深度大脑刺激来治疗帕金森病）、情绪和行为失常等的临床治疗效果。他认为，这些方法是现有医疗手段的延伸，不应该陷入“意识控制”的道德泥沼中。确实，要在基因治疗和药物治疗之间画一条明确的界线本身就很武断，因为这就像在忙碌一天后，你选择用精神药物，还是鸡尾酒来放松一样。从理论上说，基因技术比普通药物的作用目标更明确，剂量更精确，副作用也更少。

目前，已经有人把光遗传学应用于医疗领域。2006年，研究人员在视网膜光感受器退化的小鼠身上，利用光敏离子通道修复残留神经元的光感受性。他们用病毒将编码光敏蛋白ChR2的基因转入神经元中，再把这些神经元直接注入小鼠眼内。结果证实，经过修补的视网膜可以把光线激发的信号传递给大脑，但我们还无法确定动物的视力能否恢复。

不管理论上如何诱人，光遗传学要应用于人体还面临一个难题：如何向大脑引入编码光控蛋白启动元件的外源基因。到目前为止，基因治疗技术还做不到这一点。而且，美国食品及药品管理局（FDA）非常重视转基因可能带来的风险，除了一些严格受限的实验，明令禁止将这类技术应用于人类。

对神经元或其他一些可兴奋细胞（如激素分泌细胞、肌细胞）的控制，有助于寻找新型药物的作用目标。比如，如果我们控制X、Y、Z型细胞，结果使动物开始进食、睡眠或变得冲动，那这三类细胞可能就是治疗肥胖、失眠和焦虑症的靶细胞。对于这些疾病，医生还没有有效治疗办法，如果我们找到能调控X、Y、Z细胞的药物，也许就找到了治疗这些疾病的方法，能够开发出更有效的药物。虽然很多问题仍待研究，但光遗传学的前景十分光明。