“光电容技术”点亮大脑研究的新思路

1、【初中生物】“光电容技术”点亮大脑研究的新思路在新兴的光遗传学中出现的新转折可能为人类活体大脑研究提供崭新途径，并带来创 造性的治疗用途。自古以来，哲学家、解剖学家与研究人员们都在思考着大脑内部是如何工作的。对研 究这个黑箱所倾注的努力往往换来的是比答案还多的问题。毕竞，十六世纪的炼金术师在 我们脑袋里找不到真正居住着的侏儒们，笛卡尔时代的解剖学家们也找不到一台精细复杂 的钟的齿轮。电流计与脑电图(electroencephalgrams, EEGs)为我们打开f探索大脑电活动的大门。 但是它们大多告诉我们，我们是多么地不懂大脑的运转。随后的研究揭示了在一个普通成 年人的大脑里，有着成千上万种

2、神经元，精细地组织在一起，同时交织在一张由大约一千 亿个细胞组成的巨大网络中。甚至后来诸如功能性核磁共振成像(fMRI)和脑磁图 (magnetoencephalgram)的技术使得空间与时间上的分辨率提高之后，大脑内部的语言依 然是一个谜。接着，在新千年后，一项名为光遗传学的新技术被开发，使研究人员们得以用他们曾 经无法做到的途径进行神经元行为的研究。这项技术围绕于把编码视蛋白(一种在光下被 激活的有机分子)的基因与神经元粘接。这样，通过光纤闪烁发光，来激发神经元。这种 工具带来了高水平的空间与时间分辨率，在它与其他神经影像学技术合用时，还能提供实 时行为反馈。(弗朗西斯科贝扎尼那)然而，光

3、遗传学只能帮我们到这里了。当我们要从基因水平上来改变人们的大脑时， 许多伦理和安全性的问题依然存在。于是，这项技术便被限制在了实验室的皮氏培养皿 【也就是常见的上下盖培养皿，译者注。】和动物实验中。但所幸有一种暂命名为“光电 容”的相关技术，使得在人类受试者中的应用，有一天可能成真。这个新操作选择了一条外源性激活神经元的不同途径，这个过程通常叫做神经调制。 在芝加哥大学的生物化学与分子生物学教授，米克哈伊沙毕罗(Mikhail Shapiro)博士 与他的合作者,弗朗西斯科贝扎尼那(Francisco Bezanilla),莉莉安艾克尔伯格 (Lillian Eichelberger)发现了通

4、过改变神经元细胞膜电容来激活神经元的机制。这是通 过使用红外线脉冲产热完成的。但是红外线刺激并不具有很好的靶向性，所以产生的热能 可以轻易地破坏细胞。(大卫派佩伯格)基于此，贝扎尼那和位于芝加哥的伊利诺伊州州立大学眼科与视觉科学教授，大卫派佩伯格(David Pepperberg)博士开始一同致力于金的纳米颗粒研究，以更精确地在 体外瞄准细胞。直径仅有20纳米，这些纳米颗粒吸收光脉冲之后，将其转化为十分集中 的热能，引出我们需要的特异神经元激活。但是，这些比人类血细胞小300倍的纳米颗粒 不会停留在原地，而是会迅速扩散在神经元所紧邻的环境里。为了更好地将颗粒与目标神 经元相连接，这个团队把颗粒

5、与源于蝎子毒素Tsi的合成分子连在一起。这些与Tsi相连 的纳米颗粒与细胞的钠通道链接，可以被多次激活。在使用以亳秒为单位的光脉冲时，每 个细胞在半小时内可以产生超过3000次动作电位，而且不存在效果变差或是明显的损伤。(不同大小的金纳米颗粒拥有着不同的颜色。)尽管这种使用配体结合的纳米颗粒的方法很有效，但它并不能激活那些对于Tsi没有 特异性反应的神经元。于是，贝扎尼那，派佩伯格和他们的团队转变成了一种将金纳米颗 粒与抗体连接的方式。抗体可以与离子通道(ion channeDTRPVl和P2X3相连。与Tsi颗 粒相似，这些分子依然可以在光的激发下激活细胞，甚至在很长一段时间连续冲洗之后仍

6、然有效。这意味着纳米颗粒可以与不同的抗体相连，然后瞄准不同种类的细胞，甚至是非 神经元的细胞。(吸液管在离体条件下传送金纳米颗粒，激发出了绿光，同时记录下动作电位。可变 电容器的标志表示引发动作电位的机制。)这项研究被发布在2月的神经元杂志中，有许多有潜力的用途。在我与贝扎尼那 以及他的合作者对话时，他解释道，视电容技术与视遗传学拥有相似的清晰度，但避免了 对靶细胞的基因改变。他还提到，视容量技术拥有另一个有趣的不同点，“只要使用针对 靶细胞合适的抗体，它很可能对任何可被激动的细胞有效。”因此，光电容技术可应用在广大范围的细胞与器官研究中，还可能在大量活体研究以 及治疗方法中应用。比如，对于黄

7、斑变性以及其它视网膜疾病，视觉感受器的变性使得它 们无法向视网膜的节细胞与大脑发送信息。我们使用光电容技术或许能绕过损坏的细胞， 通过不同的机制刺激视觉通路，使人重获光明。“这项技术对于任何需要刺激某些神经元的治疗手段都理应适用，”贝扎尼那告诉我。 但他同样指出“在用于人类身上之前，还有许多的研窕尚待完成。没有在动物活体中的实 验，现在推测更多都太早了。”我推测有一天，这项技术能用于机械性、神经性假肢与人体的融合。在拥有更好的感 觉反馈，并替代像目标神经肌肉分布重建的控制方式后，我们的神经系统(Nervous System)能够直接控制各种仪器。研究小组新造了“光电容”这个词，来自于细胞膜电位发生的由光诱导的改变。“它 能使膜去极化，激活钠通道，产生动作电位。”尽管仍处于开发初期，光电容是一项能够 为人类大脑内部活动以及其它很多研究带来新曙光的技术。关于作者:理查德杨克(Richard Yonck)是一位在智能未来咨询中的前瞻性分析家、作者与发 言人。二十余年里，他在不断变化的技