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光遗传学之父探秘大脑的传奇故事

文章来源:机器之心公众号 作者:约翰﹒科拉皮托

导读

光遗传学被认为是数十年来神经科学的最大突破,为治愈帕金森病、失明和抑都症、焦虑症等提供了可能性。有权威杂志曾刊文指出,光遗传学是一项 “注定要获得诺贝尔奖的技术”。本文介绍光遗传学之父、美国斯坦福大学医学研究所研究员卡尔·迪赛罗斯(Karl Deisseroth)探秘大脑的传奇故事。文章开头是卡尔采用非常规药物和脑刺激相结合的方法为难治性抑郁症患者Sally作诊疗的现场。作者接着介绍了光遗传学的基本原理、应用步骤,以及这项技术垂待解决的问题。文中说,光遗传学向科学家提供了一种前所未有的方式来洞悉大脑的运转——它不仅能够观察实验动物脑中精细的神经回路,还可以直接操纵特定细胞来控制行为。作为神经科学家中少有的实践精神病学家,卡尔把精神疾病作为他光遗传学研究的主要方向。而国际上其他科学家则用此方法来研究神经科学中一些同样难解决的迷题,包括思想、心境、行为和情绪等。据悉,光遗传学是2013年奥巴马政府宣布的大脑研究计划的主要推动力之一,这项计划投入了3亿美元,用以研究治疗阿尔茨海默氏症、自闭症、精神分裂症、脑外伤等神经疾病。卡尔是发动该计划的工作组成员,还负责对基金申请的审查。另据报道,2018年度美国科学院院士增选结果,6名华人科学家当选为新一届院士,其中,卡尔在斯坦福大学实验室所聘用的博士生、现为麻省理工学院终身教授张锋,因其八零后的身份以及光遗传学研究团队里关键成员的履历而引发关注。

Deisseroth的新技术将光敏感性赋予单个神经元,从而使研究大脑信息处理和行为驱动的实验具备了前所未有的精确度和可控性。PHOTOGRAPH BY IOULEX

不久前一个周五的早上,头发花白的Sally女士如约来到斯坦福大学生物技术系的精神病学家兼神经科学家Karl Deisseroth处就诊。Sally女士60多岁,从小就患有重度抑郁,尝试过各种常规疗法——心理咨询、药物、甚至电击疗法,但无一奏效。成年以后的大部分时间里,她都待在床上,曾两度企图自杀。7年前,她被介绍给Deisseroth。Deisseroth采用非常规药物和脑刺激相结合的方法来治疗自闭症和重度抑郁。并且,他只接收其它疗法都不见效的患者。

根据Deisseroth的建议,外科医生在Sally的锁骨下植入了一个电池驱动的小东西,按固定频率向迷走神经发送一阵阵电流。迷走神经把信号传递給大脑深处的一个结构,那里被医生认为是调控情绪的地方。这种迷走神经刺激(VNS, vagus-nerve stimulation)的方法本来用于治疗癫痫,现在已经得到美国食品药品监管局(FDA)的许可,可以用于Sally所患的这类难治性抑郁症。但是,它起效的作用机制尚不清楚。Sally说,VNS改变了她的生活,除了有少许时间情绪一落千丈外,只经历了几次「小消沉」。

Sally坐到Deisseroth对面时,似乎正在经历这样一次「消沉」。「实在发生了太多事,」她说。最近,她遭遇了一次晕厥,她的医生认为可能跟血压下降有关,她只好极不情愿地决定不再开车,直到弄明白到底是怎么回事为止。而且她走路也有困难;她已经把膝盖手术排上了日程,但手术令她害怕。

「嗯,确实有很多事需要考虑。」Deissoroth说,轻轻地,但是语调积极,试图扭转Sally的低落情绪。「血压不是特别低,」他浏览着她的报告说,「所以,并没有我之前想的那么严重啦。」谈到Sally暂时不开车的决定,他说:「在弄清楚情况前,做这个决定是明智的。」他又补充道:「你也还在参与社交活动,我觉得这非常重要。」

Sally没能平复。她说:「情绪低落,像螺旋形一样直坠谷底。」她还提到自己的失眠、噩梦和食欲不振。

「没有自杀的想法吧?」他问道。

「嗯,没有,」她说。突然,她急切地提出了增大VNS电流的要求:「拜托了,可以增加到到1.5吗?」她一直在接受1.2毫安的电流,每5分钟刺激30秒,但现在这个量已不再让人感觉到效果了。

讨论一会儿后,Deisseroth说:「你对这个装置很耐受,我想我们可以提高一点点。」

他递给Sally一个程序棒,有点像游戏机Wii的手柄。她把宽平的一端对准左侧锁骨,放在植入装置上。Deisseroth则从桌上拿起一个手机似的东西,像输入短信一样点击着屏幕——这是程序棒的控制器。随后,程序棒发出轻微的颤声。Sally说,「我能感觉到它。」

「不过这次你并没有咳嗽,这很好。」他说。

除了容易带来咽喉的问题,VNS还有其它副作用。比如说,它可能会激活目标区域以外的细胞,从而影响认知。因此,在提高了电压以后,Deisseroth开始询问Sally一些问题,来考察她的认知,比如当天的日期以及就诊路上经过了哪些小镇,再让她从100开始7个7个地倒数。她都做到了。「很好,认知没问题。」他说。

短短几分钟之后,Sally就经历了明显的改变。她舒展了眉头,面带微笑,开始聊去年圣诞假期的开心事,以及她最近在YoutTube上看到的关于Deisseroth的视频。她兴奋地说:「6月在NIH(美国国立卫生研究院)的时候,你在讲台上的表现,哇!简直棒极了!」直到电击结束,Deisseroth把她送到外面的候诊区,微笑都一直挂在她的脸上。

事后,Deisseroth告诉我,Sally的反应很好地证明了VNS疗法的有效性,同时也为他的另一部分工作——神经科学提供了意义非凡的洞察。他说:「当我坐在病人面前听他们讲述自己的感受时,我的注意力非常集中。这是我的假说和思想的源泉。」

在大脑的研究史上,人类从未精确地验证过大脑的工作原理。「面对生物系统的复杂性——尤其是错综复杂的大脑,到底该从哪里开始呢?」Deisseroth如是说。他在科学界名声鹊起的原因,首先是因为他发展了光遗传学(Optogenetics),该技术可以向单个特定的脑细胞赋予光敏感性,然后通过光纤施加闪光来激活这些细胞。光遗传学向科学家提供了一种前所未有的方式来洞悉大脑的运转——它不仅能够观察实验动物脑中精细的神经回路,还可以直接操纵特定细胞来控制行为。作为神经科学家中少有的实践精神病学家,Deisseroth把精神疾病作为他光遗传学研究的主要方向。世界上其他科学家则用此方法来研究神经科学中一些最难解决的谜题,比如大脑中几千亿个神经元及其扑朔迷离的相互连接是如何产生了人的心智——包括思想、心境、行为和情绪等。

17世纪晚期,意大利物理学家Luigi Galvani发现静电可以让死青蛙的腿动起来。这是科学家第一次了解到神经系统的运作受到电活动的影响。但直到20世纪20年代,瑞士科学家Walter R. Hess在猫脑中植入电线来刺激脑,才发现情绪和行为也来自脑中的电脉冲。通过刺激不同脑区,Hess让猫出现了不同的反应,比如可以让猫表现出通常遇到狗时的那种防御状态。

20世纪50年代,耶鲁大学的西班牙生理学家José Manuel Rodriguez Delgado在人类被试的脑中植入电极,使用的是他发明的一种硬币大小的「刺激接收器」(stimoceiver)来进行远程控制。Delgado在大约25位病人身上使用了刺激接收器,大都是罗德岛一所精神病院里的癫痫或精神分裂症患者。实验结果称这种方法「可以引发多种不同的反应,从运动效应到情绪反应和智力改变。」但这些实验惹怒了公众,Delgado只好回了西班牙。

在人脑中植入电极这件事,天生存在伦理问题,这就为20世纪90年代早期采用完全无创的脑成像技术——功能磁共振成象(fMRI)铺平了道路。这种成像手段使脑功能分区的理论得以勃兴。该理论认为脑分为若干独立区域,分别负责不同方面的行为。实验中,被试们会接受各种刺激,包括图像、声音和思想,通过强磁场检测被试脑中血流的变化,被激活的区域在电脑屏幕上以一团团各色斑块来表示。不过,fMRI有些严重的局限。首先是时间延迟严重,并且相隔1秒钟左右的神经事件展示在屏幕上时,会被模糊在一起,这对运作在毫秒速度上的脑而言,是极大的不足。fMRI还无法解释脑细胞的实际运作。这种方法只能把神经活动精确到几十万个神经元的尺度。并且,如果某个脑区亮了起来,它可能代表着任意数量的神经过程。鉴于精度如此之差,即使fMRI的捍卫者也夸不起来。麻省理工学院(MIT)的Nancy Kanwisher曾经在确定人脸识别所涉及的脑区上作出过重要贡献,她也说:「fMRI最了不起的地方就是,我们终于有点什么东西可以看了。」

神经科学家在研究小群神经元的功能时,所倚重的方法跟Hess在猫上采用的差不多,都是用纤细的电极刺激实验动物的目标脑区。电极的电流在脑组织中扩布,会影响目标以外的区域,所以研究人员需要通过药物来降低神经活动。但这种方法既麻烦又耗时。

2005年,Deisseroth发表了后来被称为「光遗传学」领域的第一篇论文。凭这种技术,研究人员不仅能够以脑实际工作的速度来诱发细胞活动,还能对杏仁核等混杂有数百种细胞类型的脑区一探究竟,从而达到了超乎想象的实验精度。目前,光遗传学还只能用于大鼠和小鼠等实验动物,在与基本情绪(如恐惧、焦虑和奖赏)相关的脑功能上,它们与人类很相似。但是,只要想一想Deisseroth用植入VNS的方法来调控Sally等病人的情绪和行为,就可以大体猜到未来可能成为现实的事了。

西雅图艾伦脑科学研究所的首席科学家Christof Koch把光遗传学称为过去160年里对神经科学推动最大的技术进步之一——从19世纪末最早的细胞类型染色,到五六十年代的电极记录,再到fMRI的进步。「光遗传学是第4次浪潮,」Koch告诉我,「现在可以用非常精细、仔细而且特异的方式来干预大脑内的神经网络。」相关的实验已经揭开了多种脑功能的神秘面纱,包括学习、记忆、代谢、饥饿、睡眠、奖赏、动机、恐惧、嗅觉和触摸等等。

光遗传学也是2013年奥巴马政府宣布的大脑研究计划的主要推动力之一,这一计划将投入3亿美元来发展技术,以治疗阿尔茨海默氏症、自闭症、精神分裂症、脑外伤等神经疾病。Deisseroth是发动这一计划的工作组成员,还对基金申请进行了审查。

43岁的Deisseroth,黑发落在低垂的双眼上,说话总是喃喃低语,很难看出这个人40岁以前就已经开发出全新的技术,变革了整个神经科学。斯坦福的神经科学家Rob Malenka是Deisseroth博士后期间的导师,他告诉我说,他在某种程度上低估了这个学生。「我知道他非常聪明。可是没认识到闲散得像冲浪好手一样的表面下是如此强烈的创造力和聪慧的劲头,以及如此强烈的发现热情。他的外表几乎掩盖了这些。」

Deisseroth喜欢穿着平常的体恤衫、牛仔裤和磨砂皮夹克,开着撞了几个凹坑的灰色雪佛兰皮卡,所以很容易被误认为是有点邋遢的创意写作教授。事实上,他最初的理想就是写作。他在大学里上过写作课,在斯坦福读医学和神经科学双方向研究生时还参加了一门小说写作课程,每周两晚在附近一所大专里上课。现在他还热心读小说和诗歌,并且正在修订一本短篇小说和散文的合集,据说这些作品受到了普里莫·莱维(Primo Levi)的《元素周期表》(The Periodic Table)一些启发。Deisseroth说他感到科学探索和创意写作之间有一种联系。「写作是看到现实,是试图通过词汇、图像和想法来触摸到事物的核心,有时候需要尝试不同寻常的方式。」他的小说很少带有他那些神经科学论文中的技术色彩。有一个短篇讲的是他作为实习医生首次遇到精神分裂症病人的时候,Deisseroth笔下那人的胡言乱语是「精神病院里的芬尼根守灵夜」,这种「受难独语」同时触发了「科学和艺术,二者不可分离地融合为一个念头,就好像在听杰拉德·曼利·霍普金斯(Gerard Manley Hopkins)的诗歌,只不过这些诗歌的主题全都换成了神经生物学。」

一天早晨,我如约到帕洛阿尔托见Deisseroth,看到他正和一个骑摩托车的老者站在路基上。老者刚给他的卡车后面添了个新坑,很焦急。Deisseroth不紧不慢地把他劝得平静下来,交换了电话号码,然后爬到驾驶员位子上,把几个磨牙圈推到一边(他有3个不到6岁的孩子,上一次婚姻还有个18岁的儿子),然后竟问我昨晚睡得好不好,好像已经把事故完全抛在脑后了。谁能想到,因为这场事故,他刚刚耽误了一个重要的会议。我说,很多人碰上这种事都会一直心烦意乱,他笑道:「就像那些打扑克的,上手牌不好就一直恢复不了状态?他们管这个叫情绪失控。」

Deisseroth好像永远不会失控。他觉得这跟他的精神病医生训练有关,「值班一晚上有时会出5次紧急情况,同时急诊室里还约束着一个病人。有时病人在病房里马上要你过去,有时又有病人殴打护士——你就会练得有点『先一次办完一件事吧。』」这种出奇的平稳帮他把父子关系、夫妻关系、神经科学、文学抱负、精神病临床、每年在几十场会议上做演讲这些不同的需求区分开来,从而能够透彻地思考复杂问题。他告诉我,有些人潜意识里的想法会在散步或慢跑时冒出来,他则相反,需要完全消除体力活动才行。「否则我会被运动皮层干扰。我需要绝对静止。」这样,想法就会像「液体里的气泡」一样浮现。每到这时,他就会进入一种易兴奋的运动状态,站起来去踱步或者把想法记下来。

他的妻子Michelle Monje(一位研究儿童脑癌的神经科学家)常常现场目睹这一过程。她说,「在真能控制特定脑细胞之前好多年,他就有了这个想法。这太出格了。就像是『好吧,这听起来很好——如果真行就好了。』」

▲Michelle Monje

Deisseroth出生于波士顿,但是他父亲的工作需要辗转于波士顿、波托马克、休斯敦和马林县之间,于是他也跟着在周游全国中长大。他母亲教高中物理和化学,她姐姐是整形外科医生,妹妹是临床心理学家。Deisseroth小时候热爱阅读,他自己记得曾经一边骑车一边把书摊在车把上看,然后撞到了停着的汽车上。但他也是个典型的科学儿童。他说:「我常停下来看虫子,思考它们是怎么做决定的。我还常常观察死在路边的动物。」

三年级的时候,他发现自己大脑的工作方式非同一般。当时,老师让全班同学每人选一首诗背诵。Deisseroth打开他的诗选,随便看了一下《未选择的路》(译注:Robert Frost作品),然后举起了手。老师说你得先记住这首诗才行,他说已经记住了,然后背了出来。老师难以置信,那节课剩下的时间里都在让他快速看诗然后背诵。Deisseroth说:「变得像马戏团表演了。」

现在,他依然如当初一样看得非常快、记得特别牢。最近有次会议上,他听了David Sheff和Nic Sheff所做的报告,这父子俩是瘾君子实录《美丽男孩》(Beautiful Boy)和《吸着冰毒长大》(Tweak)的作者。就在一小时里,Deisseroth一边听他们讲,一边把这两本书从头到尾读了一遍。他读书并不是采用普通人的标准速度,而是把书页当作「一块一块的」,快速「填空」。他的同事们认为,正是这种能力帮助Deisseroth掌握了发展光遗传学所必须具备的多方面知识,因为那需要熟练运用到病毒学、光学、动物行为、遗传学、三维成像、微生物学、材料科学和化学等等。

16岁时,Deisseroth高中毕业,得到了一份哈佛的奖学金,打算主修创意写作。但是最后他拿到了生物化学学位,20岁时被斯坦福大学的医学和哲学双料博士项目录取。他想要更好地了解人类本性,于是决定攻读神经科学的博士。「我的目标并不是每秒每条通路上能够传递多少比特的信息,而是情感从何而来?人为何会被言语鼓舞?想象力是怎么回事?——这可能是受文学的影响。」

在攻读博士期间,他研究了神经元突触活动传递到细胞核、从而影响基因表达的机制。这是一个高度专门化的课题,但对人之为人的重要方面——记忆来说,也是核心的课题。「『发生在基因表达中的改变对于长期记忆存储是重要的』这一观点获得了大量证据的支持,」Rob Malenka说。「Karl——我现在明白这是他的个人风格——是在问『那个没有被充分解决的关键问题到底是什么?』」 1998年,Deisseroth完成了学位论文,后来又在《神经元》(Neuron)和《自然》(Nature)上发表了一系列文章。

Deisseroth最初打算成为一名神经外科医生,但在精神科一次为期4周的义务轮班后,他改变了主意。他的第一个病人患有分裂情感性障碍,在他的短篇小说中,他把这个人的言谈与《芬尼根守灵夜》相提并论。Deisseroth为他开了强效的抗精神病药物和心境情绪稳定药物,但那个病人的病情仍然没有好转,根本无法离开精神科病房。Deisseroth感到失望,但又被迷住了。「是未知攫住了我,」他说。「我看清了那一线理解的曙光究竟将出现在多远之外的地平线。」

在实习期间,他费尽心力想协调好实验室研究和他病房里的病人。Malenka回忆道:「他会花一整天探视病人,然后冲回我的实验室,花4到5个小时开展实验。」精神病学对疑难杂症的观点让他感到沮丧——譬如重度抑郁症、精神分裂症和自闭症等,因为这些看法其实都受制于大脑机制研究的不足。Deisseroth对我说:「心脏病医生可以清楚地向病人解释什么是心肌受损,但对于抑郁症,你并不能确切说出它究竟是什么。医生们可以开出各种药物、植入电极刺激各脑区并观测相应的行为变化——但却缺乏组织层面上的认识。」他补充道:「这个问题会影响一切。如何才能制造出一种工具,在保持组织完好无损的情况下,观察并控制组织层面的活动呢?」

1979年,Francis Crick在《科学美国人》发表了一篇文章,提出了他对脑科学前景的期望。那时候,用电极刺激大脑已经是神经科学家的例行方法,但Crick认为这个方法不够精确,亟需一种新的工具,不仅要能激活或关闭特定神经元,还不会影响其他类型的细胞。在之后的一篇论文里,他提出了实现这个工具的途径——他说:「分子生物学家可以设法令特定类型的细胞具有光敏感性。虽然这看上去很遥远,但并非难以想象。」

事实上,早在70年代初,培养出这种细胞的关键点就已经被发现了,当时德国生化学家Dieter Oesterhelt发现了首个微生物视蛋白。视蛋白是一种光敏蛋白,存在于自然界中的很多地方,比如眼睛的感光细胞内。 Oesterhelt的视蛋白来自一种单细胞细菌,生活在埃及和肯尼亚盐度极高的咸水湖中。它们通过把光转化为能量而在这种恶劣的环境中生存下来。 Oesterhelt的发现引发了世界各地实验室的研究浪潮,但是没有人想到,这来自单细胞细菌的基因竟可以跨越数十亿年的进化历程,在哺乳动物的脑中发挥作用。Deisseroth说:「微生物的细胞和我们的细胞之间差异太大了,整个内在机制都是迥异的——包括如何运输蛋白质、如何储存和加工物质并把它们运送到细胞的表面等等。」

2002年,在纽约的斯隆·凯特琳纪念癌症中心,Gero Miesenböck成为了首个使用视蛋白来赋予脑细胞光敏感性的研究者,采用的是从果蝇视网膜上提取的视蛋白。Miesenböck被视为光遗传学的开创者之一,并在2013年与Deisseroth等人共同获得了一个重要的奖项——大脑奖(the Brain Prize)。为了激活目标细胞,果蝇的视蛋白需要3个蛋白质共同作用。而在活体动物大脑中做这个实验意味着将这个基因引入到每个信号蛋白中——这是一个难以驾驭的活儿。

2003年,一个德国研究团队宣布他们发现了一种新的微生物视蛋白,它来自生长在池塘里的一种绿色水藻。把这种视蛋白导入人类胚肾细胞后,细胞就会对闪烁的蓝光产生反应。 Deisseroth意识到,这个发现可能具有划时代的意义。与果蝇的视蛋白不同,这种新的视蛋白——光敏感通道-2(ChR2),只需一步就能把光转化为电,转换的速度几乎与大脑电脉冲一样快。

多年来, Deisseroth一直在考虑利用视蛋白来使活体动物的神经元具有光敏感性,但他也强调,他并不是唯一有这种想法的人。他在斯坦福大学和其他人进行了头脑风暴,其中包括一位名叫Ed Boyden的研究生。把这个想法应用在脑细胞上完全有可能会失败,毕竟脑细胞比之前德国团队所采用的肾脏细胞要复杂和精细得多。Deisseroth说:「对很多科学家来说,白白浪费时间和经费的风险太大了。」

2004年夏天,Deisseroth在斯坦福大学开设了自己的实验室,并聘用了一名出色的博士生。这位博士生名叫张峰,早年曾在一个基因疗法实验室工作过。把藻类视蛋白引入脑细胞是一项精细的工作,而张峰似乎就是这项工作的理想人选。视蛋白需要通过一个病毒来挟带进入细胞,但必须注意浓度不能太高,否则会杀死神经细胞。Deisseroth告诉张峰,这个实验可能具有革命性的意义。「他甚至说,这是『五年或十年才一遇的大事件』。」张峰回忆道。

▲张峰

Deisseroth的实验室分离出一个大鼠神经元,将其放在一个培养皿中,然后张峰采用了一个温和的慢病毒来将视蛋白介导入细胞。Deisseroth挖来了Ed Boyden,让他在处理过的细胞上进行试验。当Boyden在细胞上闪烁蓝光时,细胞产生了很强的动作电位——这正是神经细胞用来交流的方式。经过一年的实验,这个团队在世界上首次开发出生产光敏感神经元的可靠技术,这种神经元发送信号的速度和大脑一样快。

然而Deisseroth并没那么兴奋。他说:「对我真正关心的课题来说,这项技术是否真的有用,还尚不明朗——我们想要的不仅仅是一个培养皿里的趣味实验,而是通过准确地控制活体动物的行为,在某种程度上了解『大脑到底在做什么』。」实际上,当他的团队把报告实验结果的论文递交给《科学》和《自然》的时候,两份期刊都称赞了实验的精巧和独创性,但都拒绝发表,因为看不出实际用途。2005年8月,当这篇论文终于在 《自然-神经科学》上发表时,科学界仍不确定这个技术能否在活体动物身上奏效。

这些质疑让Deisseroth充满了动力。「对我个人来说,我感到我必须去探索任何的可能性。」他说道。而Malenka告诉我,这只是轻描淡写而已:「他存在着一股冲动,就像是『你们觉得我错了?去你的!我会证明给你们看我是对的。』」 Deisseroth开始疯狂地工作。Monje说:「凌晨四五点他就起床了,但一直到凌晨一二点才睡觉。」这种作息时间持续了5年,直到光遗传学实验开始步入顺利的正轨。Monje说:「有些人就是不需要那么多睡眠。但karl不是这样的人,他是被逼出来的。」

Deisseroth和他的同事面临着一系列的挑战。他们费了很多功夫把视蛋白标的在特定的脑细胞上——比如说,那些和睡眠、记忆或焦虑有关的细胞。最终,他们设计了一种方法,可以把一小个DNA片段附着在视蛋白上,这个DNA片段就像是一个密码,确保视蛋白只会在正确的细胞中被生产出来。接下来,他们需要找到把闪光传送至大脑深处的途径,于是决定采用连接有激光二极管的光纤导线。2005年底,他们开始初步试验,以测试这种方法是否能控制小鼠的行为。他们的第一个实验涉及和睡眠有关的区域——下丘脑中的细胞。他们诱导实验动物入睡后,在他们的大脑深处闪烁蓝光,然后小鼠们就醒了——至少在某种程度上算醒了。张峰说:「那是一种非常不起眼的变化,动物们会抽搐一下,然后又沉入睡眠。」他们本来期待的是鲜明强烈的反应,这差距也太远了。

Deisseroth的下一个科学进展,其实是一个宣传噱头。随着关于他实验的流言不胫而走,2007年夏天,一个《时代周刊》的记者想要采访他。张峰告诉我:「Karl问我,能否找一些有趣的玩意儿给记者看。我说:『或许我可以刺激老鼠的运动皮质,让它颤抖之类的。』」Deisseroth给我看了一段重现那个实验的录像带,以俯视的角度拍摄了一只后肢站立的老鼠,它正在围栏一边嗅来嗅去。这只老鼠看起来很正常,除了从脑袋顶上伸出一根小管子,那正是光纤线植入之处。当蓝光闪烁的一刹那,老鼠转向左边,开始跑大圈。(光纤线此时正对老鼠右脑中的运动神经进行闪光,这是控制左侧身体运动的部位。)当发光停止时,老鼠停止奔跑,恢复嗅探的状态。由于大脑中并没有痛觉感受器,因此,这种行为明显不是对疼痛的反应。这样,Deisseroth将一只自由自在的小动物,变成了一个类似电子游戏中、可以用手柄操纵的化身人物。张峰说:「正是这一刻,我们明白了它能驱动极其稳健的行为。我赶紧去找Karl,他说:『这就是我们要给记者看的东西。』」

《时代周刊》的记者看到那个实验后,大为震惊,将其写进了文章。但是,直到两年以后,Deisseroth和其他研究者才证明光遗传学远不止《时代周刊》所描述的那样,只是「愚蠢的宠物表演的科幻版本」。2009年春天,Deisseroth的研究生Viviana Gradinaru发表了一篇论文,用光遗传学来操控啮齿类动物,从而精确地确定了与帕金森病有关的神经连结。不久以后,张峰也参与了发表在《科学》杂志的一篇论文,论文研究了高度特异性的多巴胺神经细胞在奖赏感觉中所扮演的角色,这对药物上瘾的研究有着特殊的重要性。他们在《自然》杂志上发表的两篇论文则显示了细胞在精神分裂症和自闭症相关的脑活动中所扮演的角色。这些论文,一篇又一篇,发表速度极快。「这正是人们所需要的,」Deisseroth告诉我,「它引领着整个世界。」

▲《自然》(Nature)杂志对光遗传学的报道

科学家们的信件开始涌来,索取他们实验中使用的视蛋白的克隆品。从那时起,生物工程学开始出现一个新的分支——专门设计和开发新的视蛋白。Ed Boyden离开了斯坦福大学,去麻省理工学院建立了自己的实验室。他发现,在黄光的闪烁下,与Oesterhelt在非洲发现的那种相关联的光敏蛋白能产生足以关闭神经活动的电流。将黄光和蓝光同时使用,科学家们就能像演奏管风琴一样操纵神经回路,并以神经元交互信息的真实速度,激活或关闭大脑活动——Deisseroth说,这为那些研究大脑信息处理和行为驱动的实验,提供了超乎寻常的控制力。用荧光蛋白为细胞染色后,神经元发射时会闪烁荧光。用这种方法,研究者不仅能用光纤闪烁刺激经过光遗传学改造的脑细胞以「输入」行为,还能「读出」动物在完成某些任务时的神经回路活动。

Gary Lynch是加州大学尔湾分校的精神病学及人类学教授,也是研究记忆的专家。他说,光遗传学现已成为神经科学不可或缺的工具。「它最强大的能力是,让你能够在一堆种类混杂的神经细胞中,准确地刺激到你想要的类型」——比如说,在杏仁核中的某些部位,负责情绪、记忆和社交的神经全都混在一起。因此,过去的杏仁核实验存在很多问题。Lynch说:「当你用电极刺激它时,你确实会获得一些结果,但是你并不知道这是哪种神经产生的结果。」

Lynch说,他最近开始在海马体上进行光遗传学的实验。海马体是大脑深处的一个结构,对叙述性记忆至关重要。这个区域用旧方法很难研究,因为有大量五花八门的神经化学信号从其他脑区「输入」进来。他说:「许多年以来,我和其他人都尝试去理解这些神经化学信号输入究竟能对海马体产生什么影响——它们会带来什么?在采用了药物和电刺激等一系列痛苦的方法之后,我们发现,要得出一个答案真的相当相当困难。」然而,光遗传学却提供了一个理想的方法,可以定位输入过程中的神经,开启或关闭它们,并记录下对记忆的影响。他说,这项研究为药物的开发奠定了基础,如缓解阿兹海默症的药物等。

Deisseroth估计,目前世界上共有超过1000所实验室正在使用光遗传学。每周一早上,他都会花20分钟来处理那些索要视蛋白的邮件。而他太太Monje,直到最近陪他去华盛顿参加了一场神经科学会议之后,才理解了光遗传学为她先生带来了多大的名誉。她说:「在机场,很多人停下来要和他合影,并请他签名。他根本没法穿过会议大厅——那里有太多人在等着他。这和当年人们对披头士的狂热差不多。我意识到,我竟嫁给了披头士,只不过是书呆子们的披头士。」

斯坦福大学以实验室空间的狭小而闻名。然而,2012年,当Deisseroth受到竞争机构的青睐时,斯坦福赶紧为他提供了一个专门的研究所,位于帕洛阿尔托的小山上。这里曾经是一个生物科技公司。他把这座光滑的白色建筑物称为「破解神经密码之楼」(Cracking the Neural Code Building)。大堂中盘踞着一个旋转楼梯,正像DNA的双螺旋结构,连接着每层楼的实验室、动物手术室和办公室。在这里,共有35名学生为Deisseroth工作。

在近期的一个实验中,他研究了抑郁症的一个主要症状——无法从曾经喜欢的活动中获得愉悦。比如说,比起普通水,老鼠更喜欢糖水,但是经过几星期Deisseroth称之为「温和无痛的紧张」状态之后,它们不再关心自己喝的是什么水。通过检测它们大脑中的通路,Deisseroth追溯到了与它们的漠不关心有关的神经连结,并分离出了相关的细胞和连结。由于我们和老鼠在这些通路上拥有许多相同的蛋白标志物,针对这些神经回路的药物有望消除一些之前难以缓解的症状。「这是临床精神病学的必然方向——把治疗更多地聚焦于症状上。」Deisseroth对我说。许多精神病学家希望,未来的药物能从缓解所有症状的万能药(如百忧解)转向针对不同失调症均会出现的具体症状,比如焦虑。他说:「病人的病究竟属于什么类型,这其实不重要。重要的是,症状是什么,有什么药物能够帮助缓解这些症状?」

光遗传学有可能成为人类的治疗手段,Deisseroth为此付出了不懈的努力。他对胚胎干细胞进行了实验,试图控制细胞的分化,旨在有一天能用光遗传学治疗脑器质性精神障碍。2010年,他发表了几篇论文。他告诉我:「许多人已经在做后续的研究,」然而,出人意料的是,他却转向了别的方向,目前正聚焦在最基本的大脑科学,他认为那里「藏着让其他所有领域都望尘莫及的机会,能带来极大的影响力」。一些科学家已经在构思Delgado的「刺激接收器」——将能够闪光的LED灯植入大脑深处,用于治疗焦虑、精神分裂和幻觉等。Deisseroth警告说,这样的治疗可能会面临极大的障碍,因为我们尚不知道将外物植入病人大脑后会发生什么。但是,他告诉我,一些临床医师已经开始研究可能对周围神经系统有效的疗法——周围神经系统是进入手臂和腿部的神经系统。他说:「如果能在不影响运动和正常感觉的情况下关闭疼痛的神经传递,这影响可就巨大了。」

Botond Roska是巴塞尔的一位神经系统科学家,Jose-Alain Sahel是巴黎的一位眼科医师,他们都致力于用光遗传学来恢复盲人的视力。之前在大鼠和灵长类动物身上的实验都很成功。Roska说:「我们也成功地在捐献的人类视网膜上做到了这一点,这从另一个角度说明我们的方法可以用在人身上。」他们希望在一两年之内能够开始人体试验。

与此同时,Deisseroth也在临床实践中把他从光遗传学实验中获得的知识应用到病人身上。在近期的一次治疗中,他遇见了一位高挑、儒雅、70多岁的男士,他患有重度抑郁,并伴随有帕金森症。且称他为Henry。当Deisseroth诊治Henry的时候,他想到了他的小鼠实验——该实验显示类似抑郁的状态与缺乏多巴胺神经元有关。一年前,他给Henry开了一种针对多巴胺系统的药片。他告诉我:「只针对多巴胺系统的药物很少用于抑郁症,但是对他的效果非常好。」在治疗中,Henry描述了一个很显著的改善。在用药之前,他已经无法下定决心在房间里踱步;但最近的每个早上,他都有做拉伸运动。他告诉Deisseroth:「我再也不想着过去的事情,所以我感到了积极的力量。」

在治疗结束的时候, Henry描述了他最抑郁时候的状态。他说,所有事物都可能让他充满无望和恐惧。他指着桌子说:「有可能只是一个物体。比如那张纸。它可以让我恼羞成怒,但完全想象不出是为什么。」

Deisseroth一直在他的笔记本电脑上打字,听到Henry说这话,就抬起头说:「那是一个很棒的句子!仅仅看着一个物体就让你感觉糟糕。我从没听过其他病人说过这样的话,生动透彻地描述了它触动一切感知、行动和感受的方式。」

后来,当我们驱车返回实验室时,我问起Deisseroth刚才激动的反应。Henry的句子究竟是让作为作家的他感兴趣,还是让作为科学家的他感到很有用?Deisseroth说:「是作为科学家的我感到很有用。我马上就想到了现在应该进行什么动物实验。例如,用光遗传学关闭多巴胺神经元是否能让动物对以前态度中立的物体产生厌恶情绪。」这时,他把车停在那座建筑前,说:「我现在就要进去对一个学生说:『来,做这个实验』。」

2010年初的一天,Deisseroth在他的办公室,享受着他的片刻安宁。光遗传学最终如他所愿地运转下去。他的电话是静音状态。他没有受到运动皮层的干扰。

他在思考神经科学领域最烦人的问题之一:如何描绘出大脑中的所有神经元以及它们之间相互连接的详细图像。X射线等用光来穿透组织的方法不奏效,因为脑内含有大量脂肪和水,使光线发生散射。多年来,神经科学家诉诸切片的方法——也就是将死去的大脑制成极薄的切片,扫描它们,然后把切片放回原位,试着去重组神经纤维,但是大多数已经在切成薄片的过程中被毁坏了。Deisseroth说:「根本没办法做到。你只能研究小范围的局部解剖。」人们认为去除脂肪和水是不可能的,因为它们组成了“肉冻”一样的东西,包裹着神经元和轴突,让它们在其中组成精细网络的,各就其位。

Monje还记得第一次注意到她丈夫正致力于一个新项目的时候,当时他们在换尿布,Deisseroth说,如果能使大脑完全透明就好了。那时,她已经知道不能忽视先生这样的想法。她说:「我认为他一定能弄清楚如何去做到这点。」在办公室里,Deisseroth想知道他能否用一个支架取代脂肪和水,这个支架能够支持神经的连接但是允许光线穿透——支架也许可以用水凝胶,这是人体组织修复中用于支持细胞的一种水基聚合物。他打开了一个螺旋装订的笔记本,开始写写画画,并写下他对所谓「内骨骼」的想法,这种内骨骼会「消化掉」脂肪和水。他写道:「最终结构将进行前所未有的细节研究。」这想法变成 了CLARITY技术。这个字母缩写代表的意思是「透明的、脂质交换、解剖上稳定的成像/免疫染色的组织水溶胶」(Clear Lipid-exchanged Anatomically Rigid Imaging/immunostaining-compatible Tissue hYdrogel)。CLARITY是Deisseroth对神经科学的又一项伟大贡献——此法能使脑组织标本完全透明,同时完好保存了细胞和神经纤维。

与光遗传学不同,他很快将这种想法付诸实施。Deisseroth聘请了一个名叫Kwanghun Chung的化学工程师。几个月里,他们一直在用一种叫做丙烯酰胺的水凝胶做实验。他们把丙烯酰胺液体注入到组织中,然后用热水浸泡大脑,这会使液体成为凝胶。再在组织内施加一个弱电流,他们就能排出脂肪,只留下神经元回路悬浮在水凝胶中,进而使得大脑变得「透明」。

2013年4月,Deisseroth在《自然》上发表了这项新技术。《自然》网站上发布了一个透明化老鼠大脑的视频(视频如下所示),展示了一团极其精细的细胞和神经纤维交织在一起的情景,它们在黑色背景下闪着莹莹绿光。美国国立心理卫生研究所的主任Thomas Insel说:「它可能是近几十年来神经解剖学上最重要的进步之一」。

▲《自然》(Nature)杂志对CLARITY技术的报道

从那之后,它成为了全世界科学家和临床医生的标准工具。近期一项采用了CLARITY技术发表的研究为阿尔茨海默氏症患者脑中沉积物的积累提供了新的认识。Monje则用CLARITY技术研究最可怕的儿童脑癌,这是她的专长领域。美国大脑计划中的一个项目采用此技术作为重要工具来描绘小鼠大脑的完整图谱,也许最终会用于人脑——这一计划跟人类基因组工程的规模相当,科学家们将标绘和归类近千亿个神经元以及它们之间上百万亿的连接。

有一天,我参观了Deisseroth的研究大楼。他带我穿过一排实验室,里面的鼠脑正在被透明化处理。包着金属箔片的小试管立在架子里,装在机械化的、微微加热的平台上,平台按圆周方式持续摇晃着试管。他拿起一个试管,剥去箔片。试管底部有一个小小的、粉色的、半透明的团块儿漂浮在浑浊的液体中。完成透明化的大脑几乎不能被肉眼可见。

最近几十年,研究者把大脑想象为一锅神经化学物质浓汤,其正常运作依赖于这些化学物质的平衡。心理疾病被认为是「化学失衡」造成的——比如说,特定突触释放的某种神经递质数量出现了错误。在光遗传学和CLARITY技术之前,这些方法的局限性就已经很明显了。Deisseroth对我说:「如果你认为『抑郁症是因为血清素不足引起的』,那么,增加血清素的任何手段都应该是抗抑郁的。但这不是真的。所以你不能在这个层面去解释。精神病或者精神分裂症也是这样。有些情况符合化学模式,有些不符合」。

神经科学家开始渐渐相信,认识大脑运转的关键就在它的神经回路中,以及分离的各个脑区之间赖以交流的神经纤维长程投射。照这种观点,精神障碍是由于大脑线路的短路或者断路所引起的——Deisseroth的创新正是为这些回路连接的确定和描述做出了贡献。

艾伦研究所的Christof Koch把Deisseroth比作伽利略,后者早期对望远镜的改善使我们对宇宙的理解取得了巨大的进步。然而,正如伽利略的望远镜揭示了宇宙的浩瀚无限一样,Deisseroth的技术也揭示了我们对大脑的知之甚少——Koch认为:「到目前为止,大脑是已知宇宙中组织最复杂的东西」。

Koch说:「望远镜发明以来的400年里,每一代天体物理学家都意识到宇宙比前一代人想象得更大。大脑也是如此。每一代神经科学家都发现了比以前多得多的复杂性和隐藏层」。

Deisseroth告诉我,要弄清人类心智的大谜题,他还有很长的路要走——这团悬浮在脂肪和水中的物质,如何能被一句诗和一首歌引出动人的情绪?他说:

「这些都是非常重要的问题。只是现在想知道答案,还为时过早」。

Last Modified: August 7, 2021