雷神、镭射眼、万磁王……操控神经技术哪家强?

subtitle 果壳科学人05-16 08:19 跟贴 9 条

作者:鬼谷藏龙

编辑:Calo

我们生活在一个令人心潮澎湃的时代。在这个时代,人类的智慧无所不至,甚至连“智慧”本身也不能幸免。笛卡尔说:“我思故我在。”他对人类的思考能力推崇备至,甚至“想”出来了一套“机械大脑理论”来试图解释大脑的工作原理。但是无论他的理论如何精巧,他也没有办法把那个讨厌的“机械操作者”从中清除出去。

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精神控制一直是包括《X战警》在内的各种科幻主题爱用的超能力。但想要让这样的科幻变得现实一点,人们首先需要懂得如何操控神经。图片来源:hollywoodreporter.com

人们逐渐意识到,要真正了解大脑和神经活动,光靠“想”是不够的,还得用一些工具,一些可以挑战“机械操作者”权威的工具——我们要掌握能操控大脑乃至精神的技术。而最开始促使我们朝这种野心勃勃的目的地走去的,是一条小小的青蛙腿。

因电而生的一场“诈尸”

1786年的一天,意大利医生路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani)的学生在解剖青蛙腿时,无意中用手术刀碰到了蛙腿上裸露的神经,不想此举导致了蛙腿的剧烈痉挛,就像是蛙腿“活”过来了一样[1]。尽管伽伐尼当时未能正确理解这种现象的本质,但这场意外的“诈尸”事件无意中开启了神经操纵的先河,也使得人们开始理解神经信号的本质。

尽管伽伐尼当时并没有正确理解这“诈尸”的实际原因,但却为电生理学打开了一扇窗户。图片来源:David Ames Wells

现在我们知道,神经信号依托于神经细胞中离子与分子的运动。当神经信号传入时,神经细胞表面的离子通道蛋白会迅速开放,带着电荷的离子奔涌着穿过神经细胞膜,引发一系列急促而剧烈的反应,将信号迅速从神经纤维的一端传向另一端。伽伐尼当初正是因为手术刀的“原电池放电”现象,无意中打开了神经细胞表面对电刺激很敏感的离子通道,从而人为创造出了一次神经冲动。

神经冲动传导示意图。静息状态下,由细胞膜上的离子通道蛋白关闭,阻止神经细胞内外的离子交换,维持神经细胞膜内负外正的电势差。而当冲动传入时,几种不同的离子通道开放,细胞内外的离子迅速交换,产生一波急剧的电势变化。图片来源:wordpress.com

正是这无心插柳,为接下来的操控神经之路指明了方向,那就是控制神经细胞膜内外的离子流动:离子动,则神经动,如是而已。从此,空想不再是研究“想”的唯一途径了。

不过,尽管伽伐尼开创的电刺激和紧随其后开发出来的药物刺激[2]为神经科学的早期工作立下了汗马功劳,但操纵神经毕竟是个精细活——大脑浸没在充满电解质且不断流动的脑脊液中,其本身既能导电,也会令药物四处弥散。用电流和药物操纵神经系统,就好像是用铁锤和喷枪加工微电子芯片一样。

没操纵好就怪锤子咯?图片来源:borongaja.com

这样粗放的技术,令20世纪的神经科学研究走到一个瓶颈。DNA双螺旋结构的发现者,后来转入神经科学研究的克里克就曾感慨:“(神经科学)需要一种可以特异性激活某一种神经元,同时又基本不会影响周围其它神经元的技术。”[3]然而,直到克里克去世,他也没能看到这种跨越时代的新技术。到转机出现,已是20世纪末。那些年,人类基因组计划(human genome project)正实施得如火如荼,期间开发的一系列新技术,打造出了一个迷人的新世界——遗传工程

用光照亮的黄金时代

利用遗传工程,人们可以把各种不同的蛋白质“安装”到神经系统中,而如此一来,不依赖于电和药的神经操控技术似乎要呼之欲出了:耳朵可以把声音信号变成神经信号,眼睛则可以用光来控制神经活动。只要找出眼睛耳朵里面的核心功能蛋白,再把它们往神经细胞里一装,岂不就可以马上开发出一种革命性的新技术,然后走上人生巅峰了? 一时之间,不少科学家摇身变成了“虐神经狂魔”,什么蛋白都想往神经里塞塞看。

然而,早期的科学家们还是图样图森破了。虽然确实有一些蛋白质在感觉系统中发挥着比较核心的作用,但是要把外界刺激转变成神经信号,还需要一系列蛋白复合物之间复杂而精妙的相互协作才行。想将整个繁杂的系统装进神经细胞而又不引起太严重的副作用,即便在今天都是一个不可能完成的任务。

被冷水浇了个透心凉的科学家们这才意识到,不管是用光用声还是别的什么稀奇玩意,其实归根结底还是得要落实到操控离子流动。于是,问题就变成寻找一种能对某种刺激起反应的离子通道

最终,科学家在一类像小虫子一样的单细胞生物中找到了目标。这类活力十足的生物长着长长的鞭毛,可以在水中自由运动。它们会主动游向光源充足的地方来进行光合作用——这能力背后,就是科学家苦心寻找多年的那些对光敏感的离子通道蛋白,这类蛋白叫做ChR

控制神经最关键的一类蛋白质,就是类似莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)这样的小生物中找到的。图片来源:america.pink

经过筛选,科学家从ChR蛋白家族中找到了一种最完美的蛋白质——ChR2[5]。这种种光敏感型离子通道结构简单且不需要其它蛋白质协助,性能稳定且基本没有副作用。几乎是在ChR2的特性被报道的瞬间,斯坦福大学的年轻科学家卡尔·戴塞尔罗斯(Karl Deisseroth)就从中嗅到了新时代的气息。他立刻全身心扑到了光控神经技术的开发中。

2004年8月4日的深夜,戴塞尔罗斯实验室的爱德华·波伊登(Edward S. Boyden)走进实验室细胞间。就在几天前,戴塞尔罗斯的研究生张锋(就是后来开发CRISPR技术的那位)在那里构建出了几株装配有ChR2的小鼠神经细胞。波伊登那晚前去的目的,便是检测这些神经细胞是否能用光信号来操控。

几个小时后,波伊登向戴塞尔罗斯发出了一封邮件:“累坏了,但是激动万分。”马上明白一切的戴塞尔罗斯很快回邮件道:“太棒了!!!!!”[4]那一夜,波伊登看到了此前从未有过的景象。那些含有ChR2的神经细胞仿佛是被装上了光控开关一般,每一个蓝光脉冲都能精确地触发一次神经冲动[6]。

或许你会有些奇怪,跟之前的研究相比,这不就是从电和药变成了光吗?凭什么光遗传就可以实现对神经的精确操控呢?

问题的关键在于遗传工程。之前的刺激方式作用于神经细胞天然普遍存在的蛋白质,相当于用些“欺诈手段”去诱使这些蛋白质“滥用职权”。然而,你很难做到既能“骗倒”一个神经细胞上足够多的蛋白质,却又让几微米外另一个神经细胞上的蛋白质完全不为所动。光遗传的不同之处在于,ChR2就像是我们主动安插在神经细胞上的“奸细”,本来就是自己人,我们就能按照自己心意将它们部署在想要操控的神经细胞上。

光遗传技术的发明人卡尔·戴塞尔罗斯。图片来源:geekheal.com

很快,他们的工作发表在了神经科学界最顶级的期刊之一《自然:神经科学》(Nature Neuroscience)上。由于这种新技术结合了光刺激和遗传工程,因此他们在后续的研究中将这种新技术取名为“光遗传”(Optogenetics)[7]。

后来,光遗传技术迅速在戴塞尔罗斯手中变得愈发成熟。2007年,戴塞尔罗斯与当时就职于杜克大学的冯国平教授合作,制造出了第一只带有ChR2基因的转基因小鼠[8][9],将光遗传技术带入广泛实用领域。2010年,光遗传被《自然-方法》(Nature Methods)评为当年的“年度技术”[10],《科学》(Science)也将它列入“十年重大突破”之一[11]。

操作简便,成本低廉,精确性好,稳定性高……光遗传堪称有史以来最好用的神经科学工具。借由它实现的对大脑的细胞级精确操控,可以说第一次让人类真正触摸到了那个令笛卡尔绝望的“机械操作者”。如今,神经科学实验室的小老鼠都几乎如牵线木偶一般可以任由研究者操纵,神经科学家可以做许多十几年前根本无法想象的复杂工作。譬如说日本科学家利根川进(Tonegawa Susumu)可以把ChR2特异性地表达在与特定记忆相关的神经细胞内,从而用光遗传技术操控小鼠的记忆[12]。

可以说,光遗传成就了神经科学今天的辉煌。

“前方神经细胞需要激活!”图片来源:screenrant.com

辉煌,却仍非完美

然而,辉煌如斯,光遗传技术还是有显而易见的缺陷:大部分高等动物的身体都不是透明的,要用光控制高等动物的大脑,唯一的方法是把光纤插入动物的脑部。可光是会传送能量的,以现有的光遗传技术,连续几分钟的光信号就足以把一片脑区烤熟。

就算未来真的出现了人脑与电脑的直接交互作用,我觉得也不该是这个样子的。图片来源:《黑客帝国》截图

没关系,金无足赤,技术总会有缺陷。开发新的技术试试看?学术界也并非没想过用光以外的信号来操控神经,热量、声音和磁场都曾是很有潜力的候选对象。然而,老鼠和灵长类都是恒温动物,头脑不是你想发热就能随便发热的,所以,纯粹的温控技术至今也只在培养皿中的细胞有少量尝试。

声音虽然没有温控的缺点,但问题在于动物会动会叫,身体内本来就一直充斥着种种机械波,这让声控神经技术难以避免各种背景噪音的干扰。这条路,迄今最多也就能让麻醉小鼠抖抖胡须动动腿什么的[13],对于清醒动物则无能为力。

算来算去,也就磁刺激或“磁遗传”看着还有些希望了。

从磁热遗传到“万磁王”

磁场穿透脑组织能力强,作用范围广且几乎不输送能量,其环境本底低且容易屏蔽,而且大部分动物神经系统中并没有天然存在的磁敏感蛋白。可以说,磁刺激是最具潜力的神经刺激方式。但是长久以来,除了经颅磁刺激技术(Transcranial magnetic stimulation)[14]能对神经产生一点微弱影响外,其它尝试均告彻底失败。

究其原因,是因为科学家至今也没能找到一种能够像ChR2那般理想的既对磁场敏感,又可用来操纵神经活动的蛋白质。真可谓巧妇难为无米之炊。

不过,有一些科学家采用了一种“曲线救国”的方式——既然没有现成的,不妨就自己DIY一个吧。在光遗传技术问世前,戴塞尔罗斯就曾试图让纳米磁珠和蛋白质相互作用,但受制于当年的技术,并未取得成功。但2015年,一群来自麻省理工学院的科学家利用一种可以在强交变磁场下发热的纳米磁珠,搭配一种来自人类烫觉感受器的蛋白质TRPV1,初步完成了戴塞尔罗斯当年的构想 [15]。

TRPV1是一种很任性的离子通道,它只对43℃以上的温度敏感,高则开放,低则关闭——这种特性构成了人类烫觉的基础。顺带说一句,TRPV1对辣椒素也很敏感,所以辣椒才能给人带来火辣辣的爽快感。研究者设法将TRPV1蛋白装在了小鼠的脑细胞上,过一段时间后再向小鼠脑中注射这种纳米磁珠。之后只要让小鼠暴露在强交变磁场当中,这些纳米磁珠就会迅速升温至43℃以上,从而启动TRPV1,达到磁控神经的效果。

利用纳米磁珠实现“磁控”神经的原理示意图。图片编译自参考资料[15]

可是,这种被其发明人称为“无线磁热深部脑刺激”(Wireless magnetothermal deep brain stimulation)的技术名义上是实现“磁控”了,但本质上还是一种热刺激。它不但还保留着热刺激的几乎所有缺点,而且使用的纳米磁珠还具有一些细胞毒性,距离理想中的磁控神经技术还差得不止一点两点。

另一群来自美国弗吉尼亚大学的科学家则抛弃了纳米磁珠的想法,而是采用一种称为铁蛋白(ferritin)的特殊蛋白质。这种蛋白质本身没有磁性,但由于其中结合有大量铁离子,因此可能会像小铁珠一样被磁铁吸引。他们将这种铁蛋白与一种张力敏感离子通道TRPV4融合在了一起[16]。

TRPV4来自于人类的膀胱以及肾脏等器官,是膀胱内皮张力感受器的重要组成成分,它对张力非常敏感,人尿急的感觉就有它的一份功劳。把对磁力敏感的铁蛋白融合到经过改造的TRPV4蛋白上,研究者便构建出了一种精巧的可以受磁力控制的离子通道

利用铁蛋白与TRPV4磁控神经的示意图。图片编译自参考资料[16]

借助这种融合蛋白,他们甚至可以干预小鼠的行为:在小鼠脑部有关快感的部分脑区表达这种蛋白以后,小鼠会稍微变得更愿意待在有磁场的环境中。在论文中,作者给这种新技术起了个相当中二的名字——“万磁王”(Magneto)。

类似“万磁王”这样将磁力和机械力敏感蛋白相结合的方法的有效性令人振奋,但它也还有些当年声控神经技术的缺点。一方面,这种技术还比较粗糙,对磁场的反应并不稳定;另一方面,它也容易受到机械波之类的环境干扰。在后续的技术版本中,我们期待这些情况能得到改善。

“教授,你的能力被我承包了。”图片来源:wikia.nocookie.net

磁遗传是神经科学的未来吗?

尽管这些DIY的融合蛋白在很多方面还算可圈可点,但是科学家在挖掘天然磁敏感蛋白方面也从未松懈。2015年,北京大学的谢灿教授在多种动物体内纯化出一种天然就带有磁性的蛋白质,这种蛋白的结晶会像小磁针一样跟着磁感线转动,他将这种蛋白质命名为“磁受体”(Magnetic Receptor, MagR)[17]。尽管迄今为止,还没有人成功将“磁受体”用于高等动物体内,不过这种有磁性的蛋白质大大鼓舞了“磁刺激派”的信心,从某种程度上说也引爆了磁遗传技术的热点。

不过有人顶,自然就有人踩。最先发出质疑之声的,是旁观了整个过程的物理学界——加州理工大学的计算神经生物学家马库斯·梅斯特(Markus Meister)通过物理学计算[18]指出,所谓的蛋白分子大小级别的磁畴是异乎寻常的,因此谢灿的“磁受体”在微观下是否还有磁性有待商榷。不仅如此,诸如“万磁王”之类的设计也有问题。按照他的计算,铁蛋白的磁力远远不足以拉开离子通道——确切地说,差了十亿倍左右。确实,毕竟谁也没有观测到离子通道是被磁力拉开的,所有磁遗传技术的理论原理都来自于一些间接的证据。

甚至连戴塞尔罗斯也对此持谨慎态度,他认为现在磁遗传的理论基础尚不明朗而且副作用多多,性能也远不如光遗传[19]。言下之意,似乎也是要谨慎对待磁遗传技术,不能盲目乐观地认为磁遗传就一定是神经操控的下一代主流技术。

“二十一世纪是生命科学的世纪”,不管这是一句真话还是鬼话,的确有一大群最优秀的头脑集中到了生命科学门下,在二十一世纪初期创造了一轮技术爆炸——干细胞,神经科学,基因编辑百花齐放,每一次技术突破都会掀起一场生命科学的革命。一群人功成名就的同时必定有另一群人惨遭淘汰。在这历史洪流之中,每一个生物学家都是冒险家。这是最好的时代,这是最坏的时代;人们正在直登天堂,人们正在直下地狱。

作者名片

参考文献:

老牛老虎:此电非彼电,神奇的生物电——蛙腿论战

杨方中:记忆的神经药理学研究 《心理学动态》 1983年01期

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