如何在健康人體中獲得神經(jīng)元的電活動

除非我們弄清楚如何在健康人體中獲得神經(jīng)元的電活動，否則不會在理解人類大腦或疾病方面取得任何進展。

We're not going to make any progress towards understanding the human brain or human diseases until we figure out how to get at the electrical activity of neurons in healthy humans.

演講實錄

我想跟你們聊一些關(guān)于神經(jīng)科學(xué)的事情。我是一名物理學(xué)家。大約三年前，我從物理學(xué)轉(zhuǎn)到研究大腦如何工作。我有一些發(fā)現(xiàn)。很多人都在研究抑郁癥。這真的很好，抑郁癥是我們真正想要理解的東西。

這是我們的研究方法：拿著一個罐子，用水把它裝滿，大約一半。然后你拿一只老鼠，把老鼠放進罐子里。好。老鼠游動了一會兒，然后在某個時候，它變得累了并決定停止游泳。當(dāng)它停止游泳時，那就是抑郁癥。好嗎？我學(xué)過理論物理學(xué)，我習(xí)慣了用非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來精確描述物理現(xiàn)象，所以當(dāng)我看到這是抑郁癥的模型時，我對自己說：“哦，我的上帝，我們有很多工作要做?！?/p>

但這是神經(jīng)科學(xué)面臨的一個普遍問題。例如，采集情緒。很多人都想理解情緒。但你不能研究老鼠或猴子的情緒，因為你不能問它們是什么感覺或經(jīng)歷。因此，相反，那些想要理解情緒的人通常最終會研究所謂的動機行為，比如“老鼠想要奶酪時會做什么”。好吧，我可以繼續(xù)。我的意思是，重點是，NIH每年花費大約55億美元用于神經(jīng)科學(xué)研究。然而，在過去的40年中，腦部疾病患者的預(yù)后幾乎沒有顯著改善。我認(rèn)為其中很大一部分主要是由于老鼠可以作為癌癥或糖尿病的模型，但老鼠大腦不足以代表人類心理或人類腦部疾病。

那么，如果老鼠模型如此糟糕，我們?yōu)槭裁催€在使用它們？嗯，大腦由神經(jīng)元組成，神經(jīng)元是這些小細(xì)胞，它們將電信號發(fā)送給彼此。如果你想了解大腦如何工作，你必須能夠測量這些神經(jīng)元的電活動。但要做到這一點，你必須用某種電記錄裝置或顯微鏡去真正接近神經(jīng)元。所以你可以在老鼠身上做到這一點，你可以在猴子身上做到這一點，因為你可以將物體放入它們的大腦，但由于某些原因，我們?nèi)匀粺o法在人類身上做到這一點。

所以，我們就發(fā)明了替代方法。最受歡迎的可能是功能性核磁共振成像（fMRI），它可以制作這些漂亮的圖片，顯示當(dāng)你從事不同的活動時，大腦的哪些部位會發(fā)光。但這是一種替代。你不是在測量神經(jīng)活動。你所做的就是測量大腦中的血流量。哪里有更多的血，實際上是那里有更多的氧氣，你明白了？

你可以做的另一件事是——腦電圖——你可以把這些電極放在頭上。然后你可以測量腦電波。這樣子，你實際上是在測量電活動。但你不能測量神經(jīng)元的活動。你在測量這些電流，在你的大腦中來回擺動。所以重點是，我們所擁有的這些技術(shù)在測量其實是錯誤的東西。

因為，對于大多數(shù)我們想了解的疾病——比如，帕金森病就是一個典型的例子。在帕金森病中，大腦深處有一種特殊的神經(jīng)元是導(dǎo)致這種疾病的原因，而現(xiàn)在技術(shù)并沒有你需要的解決方案。所以我們還是只能圍繞著動物。不是說所有人都想把老鼠放進罐子里研究抑郁癥，對吧？只是有這樣一種普遍的意識——不可能看到健康人的神經(jīng)元活動。

所以這就是我想要做的。我想帶你進入未來?？纯次艺J(rèn)為有可能的一種方式。我想說，我沒有全部的細(xì)節(jié)。我只是想給你們提供一個方向。但我們要去到2100年。2100年是什么樣子？好吧，首先，氣候比你習(xí)慣的更暖。

你所認(rèn)識和喜歡的機器人吸塵器經(jīng)歷了幾代，改進并不總是那么好。

這并不總是更好。但實際上，在2100年，大多數(shù)事情都令人驚訝地被識別出來。只是大腦完全不同。例如，在2100年，我們了解阿茲海默病的根源。所以我們可以提供有針對性的基因療法或藥物在退化過程開始之前阻止退化。我們是怎么做到的？嗯，基本上有三個步驟。第一步是我們必須想出一些方法來通過頭骨獲得電連接，以便測量神經(jīng)元的電活動。不僅如此，它還必須簡單和無風(fēng)險?；旧厦總€人都可以接受，比如穿刺?；氐?017年，我們已知的穿過頭骨的唯一方法就是鉆一個二十五美分硬幣大小的洞。你不會想讓別人這么對你的。

所以在2020年代，人們開始嘗試不要鉆這些巨大的洞，而是鉆微小的孔，比一根頭發(fā)更小。這個想法實際上是為了診斷——在診斷大腦疾病的很多時候，我們想要能夠看到頭骨下面的神經(jīng)活動，鉆這些微孔對患者而言更加容易。最后，這就像打針。你只要進去，坐下來，有一件東西落在頭上，一個瞬間的刺痛，然后就完成了，你可以回到正常的一天。所以我們最終可以用激光來鉆孔。激光的速度非?？?，而且非常可靠，你甚至無法分辨出這些洞在哪里，就像你不能夠分辨出一根頭發(fā)不見了。我知道這聽起來可能很瘋狂，使用激光在你的頭骨上鉆孔，但在2017年，人們可以接受外科醫(yī)生將激光射入他們的眼睛進行矯正手術(shù)，所以我們已經(jīng)這么做了，這不是什么大顛覆。

所以下一步，發(fā)生在2030年代，不僅僅是穿過頭骨。為了測量神經(jīng)元的活動，你必須真正進入腦組織本身。而且，無論什么時候?qū)⒛承〇|西放入腦組織時，風(fēng)險基本上就是中風(fēng)。這些異物會導(dǎo)致血管爆裂，引發(fā)中風(fēng)。所以，到了2030年代中期，我們發(fā)明了能夠圍繞血管而不是穿過它們的柔性探針。因此，我們可以將這些探針放入患者的大腦中，并記錄數(shù)千個神經(jīng)元的活動，而不會對人體造成任何風(fēng)險。我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，可以識別的神經(jīng)元對想法或情緒等事情沒有反應(yīng)，這是我們所期望的。它們主要是對Jennifer Aniston，Halle Berry或Justin Trudeau等人有反應(yīng)。

我的意思是，事后看來，我們不該那么驚訝。我是說，你的神經(jīng)元大部分時間都在想什么？

但實際上，關(guān)鍵是這項技術(shù)使我們能夠開始研究個體的神經(jīng)科學(xué)。就像向遺傳學(xué)轉(zhuǎn)變到單細(xì)胞水平上一樣，我們開始在單一的人體水平上研究神經(jīng)科學(xué)。

但我們還沒有到那一步。因為這些技術(shù)仍然局限于醫(yī)療應(yīng)用，這意味著我們正在研究病態(tài)的大腦，而不是健康的大腦。因為無論技術(shù)有多安全，你都不能為了研究目的而把某些東西放進某人的大腦中。人們必須自愿這么做。他們?yōu)槭裁丛敢?？因為只要你與大腦有電連接，你就可以用它將大腦連接到電腦上。哦，好吧，你知道，公眾一開始會很懷疑。我是說，誰想把自己的大腦和電腦聯(lián)系起來？

那么想象一下，能夠用意念發(fā)送一封電子郵件。想象一下你能用眼睛拍照。想象一下，你永遠(yuǎn)不會忘記任何事情，因為任何你選擇記住的東西都會永久存儲在某個硬盤上，可以隨時回憶。

瘋狂和夢想之間的界限從來就不是很清晰。但這個系統(tǒng)是安全的。因此，當(dāng)FDA決定放松對這些激光鉆孔系統(tǒng)的監(jiān)管，在2043年，商業(yè)需求剛剛爆炸式增長。人們開始這樣回電子郵件：“請原諒任何錯別字。這是我的大腦發(fā)的?！?/p>

商業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)，提供最新和最大的神經(jīng)接口技術(shù)。有100個電極。一千個電極。每個月只有99.99高帶寬。

很快，每個人都會擁有（這套系統(tǒng)）。這是關(guān)鍵。因為，在2050年代，如果你是一名神經(jīng)科學(xué)家，可能會有人從街上進入你的實驗室。你可以讓他們從事一些情緒任務(wù)、社交行為或抽象推理，這些事情你永遠(yuǎn)無法在老鼠身上研究。你可以通過他們已有的接口記錄神經(jīng)元的活動，也可以問他們正在經(jīng)歷什么。所以你永遠(yuǎn)無法在動物身上獲得的心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)之間的這種聯(lián)系，突然間就出現(xiàn)了。

所以，也許經(jīng)典的案例是發(fā)現(xiàn)了洞察力的神經(jīng)基礎(chǔ)。那“啊哈！”一瞬間，所有這一切都連在一起，閃光時刻。這是由兩位科學(xué)家在2055年發(fā)現(xiàn)的，Barry和Late在背側(cè)前額葉皮質(zhì)中觀察到，在試圖理解某個想法的人的大腦內(nèi)部，不同的神經(jīng)元群會如何重組——你在這里看到的橙色代表神經(jīng)活動——最終這些活動排列組合形成正反饋。然后形成了理解。

最后，我們能夠了解使我們成為人類的東西。這就是真正為醫(yī)學(xué)提供重要見解的途徑。因為從2060年代開始，能夠記錄這些不同精神疾病患者大腦中的神經(jīng)活動，而不是像本世紀(jì)初那樣根據(jù)癥狀定義疾病，根據(jù)我們在神經(jīng)層面觀察到的實際病理來定義它們。舉個例子，就多動癥（ADHD）而言，我們發(fā)現(xiàn)有幾十種不同的ADHD，都在本世紀(jì)初被稱為多動癥，其實它們彼此沒有任何關(guān)系，只是有類似的癥狀。它們需要以不同的方式解決?；叵肫饋?，這有點令人難以置信，在本世紀(jì)初，我們一直在用相同的藥物治療所有這些不同的疾病，只是給人們安非他明，基本上就是我們正在做的。精神分裂癥和抑郁癥也是這樣的。因此，我們不再像現(xiàn)在一樣隨機開藥，而是學(xué)會了如何預(yù)測哪些藥物在哪些患者中最有效，這使得結(jié)果產(chǎn)生巨大改善。

好吧，我現(xiàn)在想帶你回到2017年。其中一些聽起來很諷刺，甚至有點牽強。有一些確實是這樣。我的意思是，我無法預(yù)知未來。我不知道30年后我們是否會在腦袋里鉆成百上千個微孔。但我可以告訴你們的是，除非我們弄清楚如何在健康人體中獲得神經(jīng)元的電活動，否則我們不會在理解人類大腦或人類疾病方面取得任何進展。今天幾乎沒有人正在研究如何做到這一點。這就是神經(jīng)科學(xué)的未來。我認(rèn)為現(xiàn)在已經(jīng)到了神經(jīng)科學(xué)家放下老鼠大腦，并且投入必要的精力和資金來了解人類大腦和人類疾病的時候了。

謝謝。

▲Sam Rodriques是麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系博士，他設(shè)計了一種新的納米工程技術(shù)和用血流探針檢測神經(jīng)活動的新方法，旨在了解大腦細(xì)胞的空間組織和神經(jīng)元隨時間的轉(zhuǎn)錄活性。

注：圖片來源TED視頻