让大脑透明的科学家

1、让大脑透明的科学家改进大脑成像技术阿兰 ?贾萨诺夫是脑神经科学领域新一代领军人物。 他对 大脑的研究始于 2004 年，在哈佛大学拿到分子生物物理学 的博士学位之后，出于对神经科学强烈的兴趣，贾萨诺夫来 到麻省理工学院的麦戈文脑科学研究所任教，他试图揭开大 脑的神秘面纱，理解大脑如何在微观的分子层面上行使其复 杂的功能。几个月之后，贾萨诺夫发现这非常困难，因为他缺少足 够精确的研究工具。比如，在神经科学领域，科学家广泛使 用功能性磁共振成像来观测大脑的活动情况。这种技术是通 过测量脑部各区域血液流动的变化来反映大脑执行特定任 务时哪一部分会处于活跃状态，这就好比是通过测量计算机 各部件的热量来

2、分析计算机的工作情况。但是，血液流动的 变化通常发生在神经细胞活动的数秒钟之后，无法及时反映 大脑活动的真实情况。 而且，微小的血管限制了空间分辨率， 成像可以分辨的最小体积中足以包含上千个神经元，这对分 工高度细化的脑部组织而言实在是太粗糙了。所以，出于对 已有研究工具的不满足，贾萨诺夫进一步将研究方向定位为 “分子影像学” ，专门研究如何对大脑进行更加精确的成像。在麻省理工学院努力了几年后，贾萨诺夫确实发明了一 些研究大脑的好方法。 他敏锐地意识到，相比起血液的流动， 钙离子的活动其实是反应大脑神经活动更加直接的表征，因 为神经递质（在神经元间传递信息的化学物质）的释放和神 经冲动的传导都

3、需要钙离子的参与， 而且，只要神经元兴奋， 就会有钙离子进入神经元。如果能够测量大脑钙离子的活动 情况，就可以更加直接地绘出大脑活动的图像。于是，贾萨诺夫将一种对钙离子敏感的造影剂与超顺磁 性氧化铁分子结合，发明了一种新型的纳米钙颗粒造影剂。 实验时，贾萨诺夫和学生们将这种造影剂输入动物的大脑， 然后再用功能性磁共振设备来对脑部成像，结果显示，当使 用具备超级顺磁性的钙纳米颗粒时，功能性磁共振设备的信 号显著增强，信噪比也更好。而且，基于此种造影剂而做出 的脑部成像可以反映大脑局部瞬时的钙离子的变化，也就由 此研究了特定活动下脑部组织的兴奋情况。让基因成为跟踪工具贾萨诺夫认为，分子影像学的目标

4、是，在分子水平上提 供生物体完整的生物学信息。于是，他又尝试在更小的尺度 上使用功能性磁共振成像，将动物大脑内的基因活动变得可 视化。贾萨诺夫和学生们采用的办法是设计新型的“报告基 因”这个“报告基因”只会随着动物大脑内特定的“目标 基因”的活跃而活跃，也就是说它能“报告”动物大脑内某 种基因的活跃状态。如果能够使用造影剂，将“报告基因” 的活跃程度可视化，那么科学家就可以监测动物大脑内“目 标基因”的活动了。贾萨诺夫使用了一种叫做“锰卟啉”的造影剂和一种可 以编码“分泌型碱性磷酸酶” 的基因（简称为 “SEAP 基因”） 来做实验。“锰卟啉”本身可溶于水，容易被排出体外，难 以被功能性磁共振

5、设备所检测。然而，当“分泌型碱性磷酸 酶”遇到“锰卟啉”时，两者会发生反应，使“锰卟啉”造 影剂变得难溶， 并开始在脑组织中积累， 使其可以被检测到。贾萨诺夫和学生们通过将携带“ SEAP 基因”的病毒注 入动物的脑细胞内，想办法将“ SEAP 基因”并入动物自身 细胞的基因组。然后，动物的脑细胞开始生产“分泌型碱性 磷酸酶”，这种酶被脑细胞分泌出来并锚定在脑细胞的表面。 接下来，贾萨诺夫为动物大脑注入“锰卟啉”造影剂，造影 剂扩散至大脑，但是大部分被排出体外，仅在生产了“分泌 型碱性磷酸酶”的细胞表面有定量的积累，这时，使用功能 性磁共振成像就可以查明“ SEAP 基因”在大 ?X 哪个部分是 活跃的。目前，贾萨诺夫还只能做到让功能性磁共振成像检测出 “SEAP 基因”是否被成功植入动物大脑。在未来，他计划 计划将“ SEAP