光控大腦成為現(xiàn)實(shí)

cara · 發(fā)表于 2011-5-17 12:39:45

美國(guó)哈佛大學(xué)的一個(gè)研究小組制作了一個(gè)可以操控線(xiàn) 蟲(chóng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——通過(guò)激光刺激培養(yǎng)皿中自由游動(dòng)的線(xiàn)蟲(chóng)的單個(gè)神經(jīng)元，可以讓它們開(kāi)始或停止游動(dòng)，給它們被撫摸的感覺(jué)，甚至可以促使它們產(chǎn)卵。這項(xiàng)技術(shù)也許可以幫助神經(jīng)科學(xué)家更好地理解動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)如何工作。

撰文/ 達(dá)維德·卡斯泰爾韋基（ Davide Castelvecchi）

   科學(xué)家離人工控制大腦又近了一步，雖然這個(gè)大腦比沙礫還要小。最近，美國(guó)哈佛大學(xué)的一個(gè)研究小組制作了一個(gè)可以操控線(xiàn) 蟲(chóng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——通過(guò)激光刺激培養(yǎng)皿中自由游動(dòng)的線(xiàn)蟲(chóng)的單個(gè)神經(jīng)元，可以讓它們開(kāi)始或停止游動(dòng)，給它們被撫摸的感覺(jué)，甚至可以促使它們產(chǎn)卵。這項(xiàng)技術(shù)也許可以幫助神經(jīng)科學(xué)家更好地理解動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)如何工作。

   實(shí)驗(yàn)中的線(xiàn)蟲(chóng)學(xué)名為秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng) （Caenorhabditis elegans），是研究得最深入的一種生物：科學(xué) 家已經(jīng)完成了秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)體內(nèi)全部細(xì)胞的分類(lèi)和繪制，其中包括302 個(gè)神經(jīng)細(xì)胞和5 000 多個(gè)神經(jīng)連接。但是，科學(xué)家始終不知道“神經(jīng)細(xì)胞如何像網(wǎng)絡(luò)一樣協(xié)同工作”，美國(guó)哈佛大學(xué)生物物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的研究生安德魯·利弗爾（Andrew Leifer）說(shuō)。當(dāng)線(xiàn)蟲(chóng)在游動(dòng)時(shí)，它們?nèi)绾螀f(xié)調(diào)全身100 多個(gè)肌肉細(xì)胞，讓這些細(xì)胞呈現(xiàn)出波浪一樣的收縮和舒展模式？

   為了弄清這個(gè)問(wèn)題，利弗爾和同事利用基因技術(shù)，改造了一條只有1 毫米長(zhǎng) 的線(xiàn)蟲(chóng)，讓它體內(nèi)的一些特殊細(xì)胞對(duì)光敏感——這就是近年發(fā)展起來(lái)的光遺傳學(xué)技術(shù) （optogenetics，參見(jiàn)《環(huán)球科學(xué)》2010 年第 12 期《用光遙控大腦》）。因?yàn)榫€(xiàn)蟲(chóng)的身體是透明的，聚焦點(diǎn)極小、瞄準(zhǔn)精度高達(dá)30微米的激光束可以激活或抑制單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，無(wú)須使用電極或其他侵入式手段。利弗爾將顯微鏡放在一個(gè)專(zhuān)門(mén)定做的試驗(yàn)臺(tái)上，來(lái)跟蹤線(xiàn)蟲(chóng)在培養(yǎng)皿里的活動(dòng)。他還編寫(xiě)了一個(gè)程序，通過(guò)分析顯微鏡中的圖像來(lái)鎖定目標(biāo)神經(jīng)細(xì)胞的位置，然后瞄準(zhǔn)細(xì)胞，發(fā)射激光束。這項(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在《自然·方法學(xué)》（nature method）的網(wǎng)絡(luò)版上。

   其他研究小組已經(jīng)用光遺傳學(xué)技術(shù)控制過(guò)固定不動(dòng)的線(xiàn) 蟲(chóng)的單個(gè)神經(jīng)元。但利弗爾認(rèn)為，就了解動(dòng)物體的生理機(jī)制而言，必須要在自由活動(dòng)的線(xiàn)蟲(chóng)身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他和合作者的研究表明，在線(xiàn)蟲(chóng)游動(dòng)的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)信號(hào)向全身的傳遞不只是通過(guò)肌肉細(xì)胞本身，還會(huì)通過(guò)神經(jīng)連接。

   利弗爾認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)或許能在某一天幫助科學(xué)家完整模擬這種生物的行為。他說(shuō)：“我們希望可以創(chuàng)造出線(xiàn)蟲(chóng)整個(gè) 神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型?！痹谀撤N程度上，這好比是向計(jì)算機(jī) “上傳大腦”，雖然只是一個(gè)很初級(jí)的大腦。（譯/ 陳筱歪校/ 褚波）