第1个回答 2023-03-17
在德国一个实验室里，一个很小的虫子肌肉和神经都受到灯光的操纵，可以随着光的闪动而跳舞――黄灯亮起它就向前猛冲，蓝灯亮起它就猛地后撤，并且可以一直不停地反复。但它不是玩具，也不是机器人，而是一种生物。科学家把它培育出来，是为了用光控制它的神经和肌肉。这项研究被誉为脑科学的先锋，利用这一技术，将来，科学家便可以随心所欲地激活或关闭某些大脑细胞，这样人类遥控大脑的梦想就将变成现实。
终极目的
如果辅以灯光直接照射到人头颅的技术，我们就可能像小说《美丽新世界》里描述的那样，对神经进行改造，抑郁症和帕金森病就不用吃药或电极疗法，用一束光便可解决。
长期以来，这种技术甚至能增强普通大脑的功能，比如改善大脑的记忆力、机敏性和灵活性，精确地梳理神经回路，这些美好的遐想原本都是遥遥无期的。直到科学家们攻克了一个久未解决的难题后才变得具体起来，那就是如何控制一个单独的神经元细胞。一个神经元就是一个带电体，它的细胞就像电池一样充足了电，大约0.1伏特。细胞膜之间存在电压位差，神经元就靠这种电脉冲来相互交流，上下大约－0.07伏到＋0.04伏。
我们在18世纪就知道，在大脑植入电极就能让神经元触发反应。科学家经常用电极来观察果蝇、老鼠和猴子的反应。他们也用电极疗法来治疗疾病。对药物治疗没有反应的抑郁症病人可以选择电痉挛治疗法，或者在头颈里植入一个装置来刺激迷走神经。像帕金森病这种震颤性疾病，可以在大脑特定的点位植放一个电极进行深层脑部刺激(DBS)。
DBS现在已经被公认为比药物治疗更有针对性的治疗法，因为它直接作用干脑部的一小片区域，不像药物反应会遍及整个大脑。
但是，电极目前所做的还远远不够，即使它只刺激大脑中一立方毫米的细胞组织，目前还是嫌大。这一立方毫米包含着成千上万的神经元，它们错综复杂地纠缠在一起。当其中一个被激发时，其周边的邻居也被激发；一只安静，邻居们也就偃旗息鼓。科学家的终极目的是要任意控制开和关，目标越精细越好。
初步探索
电痉挛治疗法在历史上曾有污点。它尽管治疗好了一些病人，却擦掉了病人的部分记忆。比如海明威在手术后突然失去了写作能力，不堪忍受创作力衰减最后自杀。刺激迷走神经也会导致痛苦、咽喉嘶哑和呼吸急促等副作用。而DBS更会引起一些奇异的后果，第一次植入电极后就像点了病人的“笑穴”一样令他们无法控制地大笑，然后让他们绝望、哭泣，直到关闭电极后才能恢复。
以上这些毛病都可以通过调整电极在大脑的位置来解决，但同时另一些毛病又出现了。有报告指出，DBS让病人情绪摇摆太快，最后自杀。这些问题最终还是归结为电极疗法的范围过大，虽然刺激了你的目标细胞，但另一部分无关的细胞也祸及在内，真是成也萧何，败也萧何。
几年来，科学家始终在寻求更好的方法。如果能让若干个神经元细胞任意开关，而周边其他细胞不受影响，他们就向目标迈进了一大步，但这首先必须解决神经回路的功能――它们是如何控制复杂的动作和情绪的。
耶鲁大学神经学家迈森波克试图突破定向控制神经元的难关。他将一个来自大鼠的基因植入果蝇，这个基因对应一种离子通道蛋白质。在环境中存在生物能量分子ATP的情况下，该离子通道允许带电粒子通过细胞膜，从而传递电脉冲。然后，给果蝇注射被另一种分子包裹而处于失活状态的ATP分子。在紫外线激光的作用下，ATP分子可以从包裹中被解放出来，启动离子通道，果蝇的神经受到电信号刺激。
实验显示，如果该离子通道在控制果蝇爬行的多巴胺能神经元中表达，本来懒散的果蝇会在激光作用下变得过度活跃。如果离子通道表达在控制果蝇逃跑反应的大神经中，则激光可使果蝇跳来跳去、抖动翅膀并飞走。
突破瓶颈
迈森波克的办法遇到了一个瓶颈，那就是如何把感光分子注射到动物的大脑。动物还算好办，如果是人的话就更危险了。
不过他的问题有人解决。马克思・普朗克学院的科学家已经能在线虫体内的神经元表达绿藻的光敏蛋白ChR2，从而使这种线虫对蓝光产生特定的行为反应。
光敏蛋白ChR2存在于细胞膜上，主要负责控制特定离子进出细胞，也是一种离子通道蛋白。离子通道蛋白对神经与肌肉细胞起到非常重要的作用，并受控于化学分子或电信号，而ChR2蛋白可由特定波长的光线控制。
研究人员在线虫体内的神经元与肌肉细胞中表达ChR2，然后发现蓝光能活化这种蛋白并通过光线照射使肌肉强烈收缩。当让机械力感应神经表达ChR2，线虫在接触到蓝光时也产生了退后行为。
研究人员还通过电生理实验确定，线虫表现的行为反应是因为被蓝光活化的ChR2蛋白产生分子流动引起的，而且这种分子流动在蓝光照射时能持续发生。和迈森波克实验不同的是。ChR2本身具有感光性，不需要再向大脑植入感光分子。
蓝光活化神经细胞的反应如果不可逆，神经细胞就会过度活跃。于是科学家们以可逆的方式使用黄光脉冲让脑细胞沉静下来，这可以让某些疾病如癫痫与帕金森病产生的疯狂神经元获得控制。这项研究利用了一种名为halorhodopsin的基因，在盐分极高的卤水里生存的嗜细菌中可发现它的存在。
当神经元经过改造能够表现halorhodopsin基因，研究者便可通过黄光来抑制它们的活性。光线会活化这种氯化物通道，驱动氯离子进入神经元，降低其电压，并抑制其发射。这种抑制效应对于因神经元发射失控而产生的疾病相当有效。
蓝光激活沉默的神经元，黄光抑制疯狂的神经元。一蓝一黄，像开关一样，对单一神经元的刺激与抑制进行精确的控制。于是有了文章开头遥控线虫的那一幕。
接下来，研究人员还将对ChR2、halorhodopsin和其他相关蛋白进行深入研究。这些研究将有助于了解神经之间和神经与肌肉问的通讯，可能导致在将来的某天能通过远程控制来活化动物体内不同的神经与肌肉，从而促进了解和人为地控制某些复杂的动物行为。