在控制實(shí)驗(yàn)鼠的行為時(shí)，科學(xué)家通常采用的方式是利用食物誘導(dǎo)或使用空氣噴射來(lái)刺激它。而在斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，我和我的同事研究出了一種新的控制實(shí)驗(yàn)鼠的方法：利用閃光直接給大腦下達(dá)命令。
首先，我們?cè)谛∈蟮拇竽X里面植入了一個(gè)一顆胡椒大小的設(shè)備。當(dāng)我們使用我們的無(wú)限電源系統(tǒng)（wireless power system）打開它時(shí)，該設(shè)備會(huì)閃爍藍(lán)光，這種藍(lán)光可以激活小鼠前運(yùn)動(dòng)皮層（premotor cortex）中基因工程修改的腦細(xì)胞，然后前運(yùn)動(dòng)皮層可以將信號(hào)傳遞給肌肉。當(dāng)我們看到我們的實(shí)驗(yàn)鼠不再隨機(jī)亂動(dòng)，而是在籠子里面規(guī)規(guī)矩矩地轉(zhuǎn)圈時(shí)，我們的內(nèi)心也是充滿了驚奇。
研究者使用了植入在小鼠頭里面和腿部神經(jīng)上的 LED 設(shè)備來(lái)刺激經(jīng)過(guò)了基因修改的神經(jīng)元——這些神經(jīng)元會(huì)對(duì)閃光做出反應(yīng)。這種光遺傳學(xué)技術(shù)（optogenetic technology）可以讓研究者準(zhǔn)確控制某一組神經(jīng)元然后研究其結(jié)果。這些無(wú)線供電的植入物只有大約一顆胡椒大小，所有它們本身的重量不會(huì)給小鼠帶來(lái)負(fù)擔(dān)或改變它們的行為。
這種直接的大腦控制曾經(jīng)只屬于科幻。但隨著光遺傳學(xué)這項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，我們可以使用光來(lái)啟動(dòng)腦細(xì)胞和激活特定的神經(jīng)回路，并觀察其對(duì)生物的生理和行為的影響。這種研究的目標(biāo)是為了通過(guò)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)更好的理解和這項(xiàng)技術(shù)可能的臨床應(yīng)用尋找其對(duì)醫(yī)學(xué)的好處。光遺傳學(xué)還沒(méi)有在人類大腦中進(jìn)行過(guò)測(cè)試，但在理論上來(lái)說(shuō)，神經(jīng)科學(xué)家可以使用基于光的刺激來(lái)識(shí)別和修復(fù)人類神經(jīng)系統(tǒng)中出了故障的回路。
但是，這種潛在的應(yīng)用卻因?yàn)闊o(wú)法將光引入到大腦中而被一再延遲。為了解決這一難題，一些研究者使用了穿過(guò)頭顱和腦組織的微型光纖來(lái)傳遞光脈沖。為了給植入物供電，其他一些研究者還實(shí)驗(yàn)了連接到笨重的電池或頭戴式設(shè)備的植入式 LED 設(shè)備。
我們的轉(zhuǎn)圈的老鼠的實(shí)驗(yàn)則證明了另一種更好的方法。我的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了可以無(wú)縫整合到身體之中的電子器件：這種胡椒大小的設(shè)備只有之前的光遺傳學(xué)設(shè)備的 1%。我們的小鼠身上沒(méi)有線纜、電池或古怪的頭戴設(shè)備，所以它們可以自由地移動(dòng)——這是進(jìn)行常見的迷宮或游泳等測(cè)試的必備要求。此外，如果其它小鼠遇到了我們實(shí)驗(yàn)的小鼠，它們也不會(huì)覺(jué)察到有什么不同尋常的地方——這讓我們還可以進(jìn)行有關(guān)社會(huì)行為的實(shí)驗(yàn)。
打造微型設(shè)備本身是相對(duì)容易的；難的是想辦法在小鼠自動(dòng)移動(dòng)的時(shí)候給這些設(shè)備提供能量，同時(shí)不干擾它們?cè)趫?chǎng)地里的運(yùn)動(dòng)。我們的解決方案是采用無(wú)線供電——籠子下面的諧振腔（resonant chamber）發(fā)出的無(wú)線電波被小鼠自己的身體捕獲到。有了這種應(yīng)對(duì)那個(gè)光遺傳學(xué)技術(shù)問(wèn)題的答案，我希望神經(jīng)科學(xué)家能夠更多地照亮大腦中隱藏的秘密。
你是否有注意到室內(nèi)的植物會(huì)逐漸朝向有陽(yáng)光的窗戶？類似的植物學(xué)技巧是光遺傳學(xué)的基礎(chǔ)。這種訣竅來(lái)自單細(xì)胞綠藻（unicellular green algae），這些綠藻會(huì)朝向光源運(yùn)動(dòng)，這是由于其細(xì)胞膜上有一種特殊的蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)會(huì)對(duì)光照做出反應(yīng)，在其細(xì)胞膜上打開一個(gè)離子通道，并因此可以改變綠藻細(xì)胞內(nèi)部的電勢(shì)并驅(qū)動(dòng)兩個(gè)鞭子一樣的鞭毛運(yùn)動(dòng)。大約在 2005 年左右，一些研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到可以將這種蛋白質(zhì)的基因編碼移植到神經(jīng)元的 DNA 中。
這項(xiàng)神經(jīng)科學(xué)前沿技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)來(lái)源于對(duì)單細(xì)胞生物體的構(gòu)造模仿：
通過(guò)這個(gè)方式來(lái)讓神經(jīng)元「自主」產(chǎn)生帶有光感蛋白的細(xì)胞膜，然后在快速的光刺激下，細(xì)胞膜上的光感蛋白打開離子通道，帶電的分子經(jīng)由通道進(jìn)入細(xì)胞。這一過(guò)程可以說(shuō)是對(duì)神經(jīng)元受電位改變而激活的方式的精準(zhǔn)再現(xiàn)，同時(shí)這種方式也支持神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)，進(jìn)一步激活相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)元。如此一來(lái)，整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)受一點(diǎn)激發(fā)而完成整體「運(yùn)作」。通過(guò)這個(gè)「運(yùn)作」方式，神經(jīng)回路受到電位改變被激活，然后激發(fā)相應(yīng)器官的工作和對(duì)應(yīng)的反射行為，以及產(chǎn)生被我們稱之為奧秘的「思想」和「情感」。
神經(jīng)科學(xué)家對(duì)神經(jīng)元電位改變的模式研究，受限于當(dāng)前的研究設(shè)備，因?yàn)檫@些設(shè)備不能提供相應(yīng)研究部位的精確標(biāo)定。生物學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)往往依賴于精確的觀察，這也意味著生物科學(xué)家們需要對(duì)生物體相應(yīng)部位做出改變并精準(zhǔn)觀測(cè)改變后生物體的運(yùn)行情況，目前這樣的設(shè)備并不多見。傳統(tǒng)的神經(jīng)科學(xué)研究通過(guò)電刺激來(lái)觀測(cè)相應(yīng)的變化，在頭皮上放置電極或者將電極植入腦中來(lái)刺激和記錄一組或幾組神經(jīng)元的激活反應(yīng)。與神經(jīng)元相比，這些電極都太大且不靈敏，根本無(wú)法觸及到某些神經(jīng)元，比如腦海馬體的神經(jīng)元，而海馬體是人類短期記憶的存儲(chǔ)地。
這些限制讓我煩惱。從工程師的角度來(lái)看，研究活生生的生物感覺(jué)是一件很混亂的事。當(dāng)我在調(diào)整一個(gè)集成電路時(shí)，我可以去除一個(gè)晶體管然后看芯片是不是還能工作。如果它不能工作，我就可以肯定這個(gè)晶體管是造成這個(gè)故障的原因。但在生物系統(tǒng)中，要想隔離一個(gè)有關(guān)的變量，可就要困難多了。
使用光遺傳學(xué)技術(shù)，我們可以將神經(jīng)元像電路中的晶體管一樣開啟或關(guān)閉。遺傳學(xué)家有很多不同的方式可以將必需的基因植入到非常特定的細(xì)胞簇之中。使用我們的光照設(shè)備，然后我們就可以開啟一組特定的神經(jīng)元。這些神經(jīng)元會(huì)在數(shù)微秒內(nèi)對(duì)光做出反應(yīng)，從而使得我們可以很明顯地觀察到調(diào)整對(duì)結(jié)果的影響。
神經(jīng)科學(xué)家很快就看到了同時(shí)研究健康的大腦和被疾病影響了的大腦的可能性。比如說(shuō)，最近有一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)刺激猴子大腦中能生成神經(jīng)化學(xué)多巴胺的神經(jīng)元而更深入地研究了猴子大腦，這些多巴胺在運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)機(jī)、獎(jiǎng)勵(lì)和成癮上發(fā)揮了重要的作用。與此同時(shí)，另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在確定帕金森病患者的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題和特定的產(chǎn)生多巴胺的細(xì)胞的關(guān)聯(lián)程度。盡管這些研究都是在動(dòng)物身上進(jìn)行的，但它們也能為人類的醫(yī)療提供信息。
第一代的光遺傳學(xué)技術(shù)使用光纖來(lái)攜帶一個(gè)光脈沖經(jīng)過(guò)顱骨，得益于穩(wěn)定的顱腦接口，并且能讓研究人員持續(xù)點(diǎn)亮目標(biāo)神經(jīng)元。在這一步中，「被繩子拴住」的小鼠能夠相當(dāng)自由地在一個(gè)敞開的籠子中移動(dòng)，但是這個(gè)系統(tǒng)也有缺點(diǎn)。研究人員必須將小鼠附著到光纖上，給它施加壓力，并能改變行為實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。此外，一只被拴住的小鼠無(wú)法在封閉的空間內(nèi)找到方向，也無(wú)法鉆到在籠子中睡覺(jué)的其它同伴中。
移除電線是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。一些研究者試圖植入帶有板載電池組的 LED 設(shè)備，但要長(zhǎng)期使用的，它們就需要做得過(guò)大和過(guò)重。其他一些研究者可以把植入物做得很小，但是需要在小鼠的頭上戴上一個(gè)笨重的無(wú)線供電發(fā)射其。這些頭戴設(shè)備會(huì)干擾動(dòng)物的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)并且改變其生活習(xí)慣，進(jìn)入會(huì)影響到它們與其它小鼠的正常的社交活動(dòng)。
我們的目標(biāo)是打造一個(gè)能讓小鼠自由地在社會(huì)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的光遺傳學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)這種生物，神經(jīng)科學(xué)家可以檢查涉及到運(yùn)動(dòng)失調(diào)和神經(jīng)心理學(xué)問(wèn)題的大腦回路，并有可能能為醫(yī)學(xué)提供很好的見解。
有人說(shuō)懶惰才是發(fā)明創(chuàng)造之母。我們看到現(xiàn)有的無(wú)線供電光遺傳學(xué)植入物的方法后想，「一定得找出更簡(jiǎn)單的方法」，于是我們就發(fā)明了這個(gè)系統(tǒng)。
大多數(shù)之前的設(shè)備將能量通過(guò)電磁感應(yīng)傳到大腦，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)射線圈將電磁波通過(guò)空氣發(fā)送到接收線圈。這是一個(gè)古老的方式，起源于尼古拉·特斯拉在 20 世紀(jì)初做的試驗(yàn)，最近經(jīng)過(guò)改造用到了電動(dòng)汽車和智能手機(jī)的無(wú)線充電上。但是這種能源傳送方式有個(gè)很大的不足。必須保持接收線圈小到能放在小鼠腦內(nèi)，發(fā)射系統(tǒng)需要接近小鼠。無(wú)論是系統(tǒng)必須保持一個(gè)能覆蓋整個(gè)鼠欄的強(qiáng)大電磁場(chǎng)，浪費(fèi)所有未被植入的裝置所接收的能量，還是它必須瞄準(zhǔn)移動(dòng)移動(dòng)中的小鼠，時(shí)刻追蹤它跑動(dòng)的軌跡。確保小鼠在籠子內(nèi)移動(dòng)時(shí)接收到的功率能提升都是件困難的事情。
為了解決追蹤問(wèn)題，研究人員開始將一個(gè)無(wú)線電信標(biāo)或位置傳感器裝到小鼠的頭部或腳部，但是這些系統(tǒng)太復(fù)雜了。一些甚至復(fù)制了蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)，像一個(gè)微型手機(jī)信號(hào)塔一樣，在籠子周圍放置多個(gè)發(fā)射器，當(dāng)小鼠的位置改變時(shí)，就能發(fā)射信號(hào)了。在回到學(xué)術(shù)界之前，我在英特爾和一家創(chuàng)業(yè)公司設(shè)計(jì)室內(nèi)的無(wú)線系統(tǒng)，我知道這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有多復(fù)雜。我想要一個(gè)簡(jiǎn)單一點(diǎn)的。
我在小鼠自己的體內(nèi)找答案。每一個(gè)物體在碰上 特定頻率的電磁波時(shí)都會(huì)自然地產(chǎn)生共振（resonate），這是由物體的幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性決定的。理解「共振耦合」一般原則的一個(gè)簡(jiǎn)單方法有個(gè)經(jīng)典的例子：一個(gè)歌劇歌手、一段聲波和一個(gè)酒杯。當(dāng)女高音歌唱家唱到高音部分時(shí)，她的聲波會(huì)穿過(guò)空氣到達(dá)杯子，引起杯子微微振動(dòng)。如果一個(gè)音符的諧振頻率與玻璃杯的相同，聲波會(huì)被困在這種材料中來(lái)回震蕩。在電影中（有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)生活中），這種波能強(qiáng)大到震碎玻璃。
無(wú)線電力系統(tǒng)依賴于諧振耦合原理傳遞射頻能（RF energy）到老鼠體內(nèi)的植入體中。射頻能產(chǎn)生特定的頻率，選擇它是因?yàn)檫@個(gè)波長(zhǎng)段的無(wú)線電波能在這個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)部件之間反射、共振。首先波能在小鼠圍欄的網(wǎng)格地板下面特定大小的諧振腔內(nèi)產(chǎn)生共振，這能使能量很巧妙地儲(chǔ)存下來(lái)。射頻波也會(huì)在老鼠體內(nèi)產(chǎn)生共振，所以老鼠接觸地板的每一點(diǎn)都允許能量流入老鼠的身體中，并經(jīng)過(guò)組織到達(dá)植入的接收線圈。
一只活著的老鼠似乎和玻璃酒杯有很大的區(qū)別，但是原理都是同等適用的。電磁波能進(jìn)入老鼠身體的組織，并且特定的頻率能和它產(chǎn)生共振。所以我的團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)程序?yàn)槔鲜蟮纳眢w建立了一個(gè)模型，將老鼠們的平均形體、組織絕緣性能等信息插入進(jìn)去，然后我們使用模擬器解出這種實(shí)驗(yàn)老鼠的共振頻率。接下來(lái)就需要建造一個(gè)「共振室（resonant chamber）」在它們的共振頻率上（大約 1.5GHz）進(jìn)行放大和儲(chǔ)存射頻能。我們將腔室安放在籠子下，并在籠子上放置一個(gè)商用射頻信號(hào)發(fā)生器。
使用這種設(shè)置，共振室的天花板就成為老鼠籠的地板了。不過(guò)如果我們就放著這樣，那么腔室會(huì)困住這些射頻能，但是如果我們移除頂蓋腔室就會(huì)朝一個(gè)方向發(fā)射能量，這也就是我們希望看到傳遞給老鼠能量的高效方式。所以我們用打開的柵格替換了頂蓋，這些柵格的洞是要比我們使用的分米級(jí)電磁波小得多的。所以柵格會(huì)將能量禁錮在室腔內(nèi)，直到需要的時(shí)候。
或者直到那些重要的時(shí)刻：即在老鼠每一次將肉墊擠壓柵格移動(dòng)的時(shí)候，它的身體就會(huì)變成一根接收下面無(wú)線電波信號(hào)的天線。因?yàn)槔鲜蟮纳眢w和在柵格下面的射頻能處于相同的頻率并共振，那些能量也就從腔室內(nèi)逃逸出來(lái)，電場(chǎng)也就覆蓋了整個(gè)老鼠身體。當(dāng)它到達(dá)腦部和嵌入的 LED 設(shè)備，也就會(huì)被兩毫米的線圈所捕獲，這個(gè)線圈聚集能量并支持設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以不論老鼠在柵格上走到哪，它的爪都會(huì)處于射頻能之中，并在其他地方能量只是保存著。沒(méi)有任何路徑要求，我們可以保證老鼠處于供能中。
我們?yōu)榇竽X建造的設(shè)備包括能量接收線圈、電路、LED，他們總重只有 20 毫克（老鼠大腦的重量大概 2 克），總大小只有 10 立方毫米。另外對(duì)于這種小型的大腦植入裝備，我們同樣建立第一個(gè)足夠小來(lái)植入老鼠外圍神經(jīng)系統(tǒng)的光電基因設(shè)備，這讓我們能夠刺激老鼠脊柱和四肢的神經(jīng)。這種能力能讓科學(xué)家繪制電信號(hào)在身體里面的傳播路徑。
我們的系統(tǒng)可以進(jìn)行大量小鼠神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。它有足夠大的區(qū)域，可以容納設(shè)備進(jìn)行「開放場(chǎng)地（open field）」實(shí)驗(yàn)，如抗焦慮藥物實(shí)驗(yàn)。小鼠通常不喜歡明亮的開放區(qū)域，它們的移動(dòng)和探索行為可以作為其焦慮程度的指標(biāo)。我們的系統(tǒng)也經(jīng)常對(duì)小鼠進(jìn)行「位置偏好（place preference）」試驗(yàn)，測(cè)試藥物的效果。例如，為了測(cè)試止痛藥，我們可以讓小鼠在安全區(qū)域和電擊區(qū)域中自由活動(dòng)，觀察它們的活動(dòng)范圍；如果小鼠在電擊房里出現(xiàn)，則說(shuō)明止痛藥有效。我們的系統(tǒng)也可以用于飼養(yǎng)箱內(nèi)實(shí)驗(yàn)，這樣小鼠不會(huì)被研究者挪動(dòng)到陌生區(qū)域，它們的習(xí)性會(huì)更加接近自然水平。
我們希望全世界的神經(jīng)科學(xué)家都可以使用我們的技術(shù)，所以這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)已被公布，其中包含了教學(xué)視頻。無(wú)線電發(fā)射器可以用現(xiàn)成的工具和便宜的部件組成。這一系統(tǒng)也比以前其他的無(wú)線電光遺傳系統(tǒng)更易使用，它不需要跟蹤裝置，也不需要定制的共振腔。
我們希望系統(tǒng)的易用性可以幫助研究人員更加便捷地達(dá)到研究目的。目前的技術(shù)工作在小動(dòng)物上，我們已經(jīng)為小動(dòng)物的共振頻率進(jìn)行了建模，但同樣的方法也適用于大鼠和其他更大型的動(dòng)物。我們也可以想象科學(xué)家們將其應(yīng)用在其他復(fù)雜的環(huán)境中；或進(jìn)行改進(jìn)，讓系統(tǒng)包含多個(gè)互相交互的小鼠，每一只腦中都安裝有 LED 發(fā)光植入體。
人們會(huì)更加關(guān)注何時(shí)光遺傳學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用到臨床領(lǐng)域。由于這種技術(shù)需要改變?nèi)梭w細(xì)胞中的遺傳信息，我們?cè)谑褂盟靶枰M(jìn)行大量的安全性實(shí)驗(yàn)，以免造成不可預(yù)知的后果。
然而，即使光遺傳學(xué)還是一門基礎(chǔ)科學(xué)研究，在短期之內(nèi)還是可以發(fā)揮它在臨床方面的益處。用老鼠來(lái)做實(shí)驗(yàn)在研究阿茲海默癥中已經(jīng)非常的普遍，我的實(shí)驗(yàn)室目前正在投入技術(shù)研究這種災(zāi)難性的疾病在早期記憶喪失時(shí)的機(jī)制。當(dāng)然我們也在研究治療方法。我們采用了一種混合方法，涉及到了光遺傳學(xué)，也涉及到了對(duì)海馬體以及與記憶相關(guān)大腦區(qū)域內(nèi)神經(jīng)元的電刺激。
下面就是我們所做的一些事情：利用植入的 LED 裝置，我們直接激活了神經(jīng)元集群，直到我們找到了那些與老鼠特定記憶相關(guān)的神經(jīng)元，比如說(shuō)由于接收了痛苦的沖擊產(chǎn)生的恐懼經(jīng)歷。知道這些老鼠在什么時(shí)候回憶這些經(jīng)歷非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈円恢碧幱谝环N防守的姿態(tài)當(dāng)中。只要我們能夠通過(guò)光遺傳學(xué)的仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的神經(jīng)元，就可以把注意力轉(zhuǎn)向植入大腦的電極了。根據(jù)我們所收集到的精確信息，我們可以利用電極更廣泛地刺激海馬體，然后再觀察看看哪一種刺激會(huì)產(chǎn)生我們想要的結(jié)果。
如果我們能夠知道個(gè)人的記憶儲(chǔ)存在哪里，并且能夠使用工具找到方式接觸到它們，我們的工作就會(huì)直接影響到臨床研究。醫(yī)生已經(jīng)在治療多例神經(jīng)精神疾病中使用到了植入電極，所以我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中學(xué)到的其實(shí)也可以用到臨床當(dāng)中。我們的目標(biāo)很崇高：我們希望通過(guò)研究阿茲海默癥病鼠的刺激模式，可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致人類患病的相似模式，能讓這些病人記得更多有用的事情，比如說(shuō)在他們的生活中發(fā)生的一些大事兒，或者是他們所愛(ài)之人的臉龐。隨著光遺傳技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，做出更加精細(xì)的大腦研究對(duì)我們來(lái)說(shuō)也變得越來(lái)越容易。我相信，這一定會(huì)成為神經(jīng)科學(xué)的指路明燈。
