神經(jīng)科學(xué)的研究正由宏觀轉(zhuǎn)為微觀,。從膜片鉗到自動(dòng)插接,，科學(xué)家正努力實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的研究的突破。
無(wú)論是行走,、說(shuō)話或是思索宇宙奧義，你腦中至少有數(shù)以百億計(jì)的神經(jīng)元突觸將隨時(shí)被激活,。
麻省理工的神經(jīng)學(xué)家ED Boyden說(shuō)：“若想了解自己,，困難在于要先了解我們的大腦是如何生成思想的，以及我們的思想是如何造就自己的,?！?/p>
一立方毫米的大腦組織中包含了超過(guò)100，000個(gè)神經(jīng)元,，它們通過(guò)十億個(gè)神經(jīng)元突觸之間毫秒級(jí)的計(jì)算進(jìn)行相互連接,。為了了解信息如何在這些循環(huán)通路中流動(dòng)，我們首先需要含有神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)的“大腦部位”的清單。但是光有這樣的清單是不夠的,。我們還需要繪制這些細(xì)胞的連接方式,，以及通過(guò)電和化學(xué)的手段監(jiān)控其一段時(shí)間內(nèi)的活動(dòng)。
研究人員能夠在小范圍內(nèi)做到這一點(diǎn),，這要?dú)w功于20世紀(jì)70年代的一項(xiàng)技術(shù)——膜片鉗技術(shù),。將一枚小玻璃針盡量貼近大腦中的一個(gè)神經(jīng)元，這樣研究人員就能夠?yàn)橐粋€(gè)單獨(dú)的神經(jīng)元進(jìn)行顯微手術(shù),，并通過(guò)刺穿細(xì)胞膜來(lái)記錄通過(guò)這個(gè)神經(jīng)元毫伏級(jí)的電脈沖,。膜片鉗也能夠幫助人們測(cè)量細(xì)胞中的蛋白質(zhì)含量，通過(guò)揭示分子特征來(lái)解釋為什么某個(gè)神經(jīng)元會(huì)與其他細(xì)胞有著截然不同的表現(xiàn),。神經(jīng)學(xué)家甚至能向其中注射發(fā)光的染液來(lái)觀察細(xì)胞形態(tài),。膜片鉗已為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域服務(wù)了40年，但為何如今會(huì)作為一項(xiàng)新的神經(jīng)科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)在我們面前呢,？
用膜片鉗監(jiān)控神經(jīng)元的活動(dòng) 圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院Ed Boyden實(shí)驗(yàn)室
答案就是：機(jī)器人,。Boyden設(shè)計(jì)機(jī)器人來(lái)完成這些令人驚喜的工作。這并非普通的機(jī)器人,，它服務(wù)于神經(jīng)元,，也就是那些大小為鉛筆尖幾百分之一的東西。當(dāng)前,，這個(gè)機(jī)器人能夠“自動(dòng)插接”到細(xì)胞中,。Boyden計(jì)劃制造大型的并聯(lián)機(jī)器人，讓它們?yōu)樯窠?jīng)元做顯微手術(shù),，同時(shí)揭示這些神經(jīng)的形狀和功能,。將來(lái)，我們會(huì)獲得越來(lái)越多的記錄,。
迄今為止,，很少有實(shí)驗(yàn)記錄兩個(gè)連接細(xì)胞之間的關(guān)系，以解釋一個(gè)神經(jīng)元怎樣通過(guò)生物電的方式影響另一個(gè)神經(jīng)元,，這一定程度上是由于監(jiān)控單細(xì)胞是一項(xiàng)“艱巨”的任務(wù),。但是自動(dòng)插接技術(shù)的出現(xiàn)改變了現(xiàn)狀，也有望在藥理學(xué)應(yīng)用上發(fā)揮作用,。自動(dòng)插接技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始用來(lái)揭示相對(duì)于培養(yǎng)皿中細(xì)胞,，不同藥物會(huì)如何影響體內(nèi)不同的細(xì)胞類型，且表現(xiàn)得如此不同,。在理想條件下,，我們最終可以檢驗(yàn)藥物對(duì)正常情況下和特定行為動(dòng)物整個(gè)大腦的影響。 如今,，通過(guò)人與機(jī)器的配合,，神經(jīng)科學(xué)的未來(lái)將比我們想象的更加光明,。
編者按：這是《新興腦科學(xué)》系列的第三部分。當(dāng)我們探究神經(jīng)科學(xué)如何改變我們所理解的大腦時(shí),，我們參加了麻省理工的一個(gè)12名博士生的試點(diǎn)班,。該系列的每篇文章都與麻省理工神經(jīng)生物學(xué)工程研究中心的演講與實(shí)驗(yàn)過(guò)程相符合。該實(shí)驗(yàn)得到了MITx 的支持,，并通過(guò)EyeWire進(jìn)行建模,。下周同一時(shí)間，我們將利用藻類中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)蛋白探索基因工程神經(jīng)元如何幫助研究者對(duì)激活行為和功能性進(jìn)行匹配,。
