透明脑与相关问题探讨

Discussion of transparent brain and related issues

------脑与派生脑（2）

都世民（Du Shimin）

摘要：本文首先概述《环球科学》发表的“打造透明大脑”新概念。然后讨论几个相关问题：透明脑与视网膜上视细胞电连接；透明脑与内嗅皮层区神经网络；如何显示脑内多层面链接；透明大脑与帕金森微创手术。

关键词：透明脑，视细胞，神经网络、帕金森，水凝胶.

Key word：transparent brain，visual cells， neural net，Parkinson， hydrogel。

什么是透明脑？

透明脑是—项新技术，它为神经科学家开启了观察全脑的大门。借助这项新技术，科学家可以确定大脑中构建复杂神经通路的神经纤维的轨迹，以及它们的分子特性。

这种新方法以—种名为水凝胶(hydrogel)的物质为基础。水凝胶是一种聚合物，它内部形成了三维连接网络，既可保持水分，又可防止自身解体。它常被用来在生物组织内部构建3D聚合物骨架。整个过程分为三步：

1）首先是让凝胶在实验动物或死者的脑内形成，这种凝胶可与蛋白质和核酸（脱氧核糖核酸和核糖核酸）等连接，从而保护这些富含生物信息的关键分子；

2）除去脑中不必要和会散射光的组分（比如脂质）；

3）向整个脑结构中注入大量荧光标记和其他标签（凝胶不仅要透明，还要容易注入探针标记），标记发光后，科学家就能以极高的分辨率，直接观察整个脑部中不同的神经纤维和分子。

形象的说，大脑本来不透亮，要让它透亮，于是在脑内点“灯”，还要除去脂质不透明物质，就可以看见脑内微观结构，这不等于大脑变成玻璃脑。所以透明脑不是玻璃的透明脑，而是引入“光”的透亮。[ 1 ]

为什么引入“透明脑”概念？

1.从动物上亿年演化角度，动物为了生存，希望躯体透明，以保全自己。以适应所处的环境。但是做不到。中枢神经系统不能完全透明。神经系统不透明无法让光线穿透一个活体生物的大脑。

2.脑部的不透明的原因是什么？这是由于神经组织对光形成散射造成的。在脂肪和水的界面，光子会发生漫反射，因为光在这两种物质中的传导速度不同，

3.神经连接结构极具复杂性。很难通过基因修改和编辑或借助演化的力量，消除阻止光线通过的壁垒。构成细胞膜和脑细胞内部结构的脂质屏障，就像绝缘体，在离子沿轴突传递信息的过程中，起着非常关键的作用。

4.生物学家最希望能够整体研究的器官（脑），很难实现脑透明，来发现与行为相关的神经机制。其实对脑的研究与光是有关联的。已有诸多报道。

脑研究与光学的关联

1.用光控制单细胞研究小宇宙[2]

2015年07月25日，中国科技网-科技日报：以““吞下”微激光器让活细胞发光”为题，报道英国苏格兰圣·安德鲁大学研究人员，把一种微小的激光谐振腔植入人体活细胞内，一经激光照射就会发出荧光。 据物理学家组织网2015年7月2报道，研究小组多年来一直在探索以单细胞为基体，寻求在活组织内，让单细胞发荧光，以便在这些细胞工作时进行实时跟踪，揭示人体内部机制，比如癌症的形成。
  以往他们所用的激光谐振腔都比单细胞大，是纳米技术使激光谐振腔能更小，使激光谐振腔能放入单细胞内。科学家曾把水母细胞中的绿色荧光蛋白引入到人类细胞中，然后用谐振腔增强发光。研究人员将激光谐振腔植入单细胞内，在细胞内形成一个微小的泡泡，当一束激光照射时，激光谐振腔受照射后产生谐振而增强，谐振腔内的荧光物质就会发光。发出的光的波长取决于泡泡的大小和折射率。这种荧光物质发光会持续一段较长的周期，使细胞内传感，自适应成像成为可能。
2.用光线控制神经元[3]

美国麻省理工学院的阿拉什·阿夫拉兹说：“如果这些面部识别神经元是参与面部区分行为（也就是区分雄性和雌性的面部），那么我们通过抑制这些神经元，面部区分的功能就会受到抑制。”为此利用光线来控制神经元，试图解开包括人类在内的灵长类动物如何识别面部的谜题。

科学家一直把这一能力归因于所谓的“面部识别”神经元。人们认为，这种神经元具备将面部与其他物体区分开的能力。然而，人们直到现在也没有发现能够支持这一说法的直接证据。研究人员利用感光蛋白质对猕猴的大脑进行局部抑制。通过抑制神经元，研究人员发现猕猴正确判断性别的能力受到了少许影响，但十分明显地降低。必须干扰这种神经元的激活过程，才能观察到是否影响（研究对象的）行为，如果确实受到了影响，那意味着这些神经元是造成特定行为的因果链上的一个环节。

3.光遗传学是一门跨学科的科学，可以同时利用激光、光纤和光敏蛋白基因（也叫微生物视蛋白，主要存在于藻类和细菌中），在动物跑、跳、游泳、日常生活以及完成复杂行为时，精确控制活体生物脑内特定细胞的神经活动。2004年7月，首次在神经元上试验了微生物视蛋白。2009年，光遗传学的主要问题在很大程度上已经得到解决，成为了—项操作简便、广泛使用的技术。

4.尽管通过光遗传学这种方法，神经科学家已经发现了上千种与行为相关的神经机制，但光遗传学并不能提供另一种重要的信息：一个个受控于光线的神经细胞，在大脑里是如何连接的？如果只有光遗传学技术，我们没法弄清楚这个问题。[ 1 ]

透明脑能证明视细胞的电连接吗？

香港新聞網2017年1月26日電 香港大學電機電子工程系吳學奎教授領導的研究小組26日宣佈，團隊利用一種創新神經影像學技術來研究複雜的大腦網絡及其功能，其研究成果發表在最近的國際權威學術期刊《美國國家科學院院刊》上。[ 4]

據新華社報道，該團隊首次成功利用並結合了兩种先進技術：光遺傳學和磁共振功能成像，以追蹤大腦神經活動的動態傳播。

很明显，透明脑可以“点亮”脑，但不能成像，因此要借助磁共振功能来成像。从而研究大腦神經活動的動態傳播。

笔者认为：透明脑这一名词的译法不夠确切，透明脑实际上不透明，如同城市的夜晚，因电灯而照亮，并非城市透明！小宇宙引入水凝胶、荧光物质等，如同有了电灯。

新技术透明脑为神经科学家开启了观察全脑的大门。科学家可以确定大脑中构建复杂神经通路的神经纤维的轨迹，以及它们的分子特性。众所周知，人和一些哺乳动物的视觉感官的视网膜上有视细胞，这些视细胞之间的连接已被生物学家绘制成图，在百度网頁上可查询到。笔者提出这一问题的目的，是想借助透明脑这一新技术，在关闭视觉感官的输入光通道，即蒙上眼睛，在这种情况下，重新绘制视网膜上所有视细胞的连接图，并进行对比。其目的是研究透明脑技术的引入是否改变了脑神经通路的神经纤维轨迹？笔者担心这一新技术可能会改变神经纤维的轨迹。

透明脑能证明莫泽（Moser）的神经网络吗？

2014年，诺贝尔生理医学奖给了研究大脑导航系统研究的三位学者，一个是英国伦敦学院大学的John O'Keefe教授，另两位是他的学生，挪威科技大学的May-Britt和Edvard Moser夫妇。他们的贡献是发现位置细胞、网格细胞。在大脑海马区内存在位置细胞，在.区内嗅皮层区存在网格细胞。他们把这些细胞关联在一起，看成卫星导航GPS系统，GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）缩写词。[ 5]

应当指出：

1.研究者们对大脑网格细胞感受信息的具体机理不清楚，尤其是如何感受速度和角度运动信息。后来他们又发现速度细胞，并认为速度细胞可能是网格细胞和位置细胞获得信息的源头。这些研究来自诺贝尔获得者Moser夫妇团队，Edvard Moser认为，如果大脑能读取地图信息，则必须具备采集速度信号的能力。也就是说，诺奖得主意识到先前的解释存在问题。达特茅斯学院Jeffrey Taube教授认为，发现能感受运动速度的神经细胞是意外。

他们将动物放在一个跑步机上，通过调节跑步机速度，观察那些神经元能感受运动速度信息。运动模式可以调整，结果发现，这些实验中，所有神经元中，有13％到15%细胞放电和运动速度相关，这说明在这一大脑区域存在大约13-15%的神经元能感受运动速度信息。

2.他们是通过计算机编程，将速度信息与细胞的放电关联，从而预测动物要加速还是减速。另外还发现，速度细胞放电不受环境影响。例如改变动物环境，运动细胞激活的模式不会改变。这些速度细胞与网格细胞的特征类似，因此认为大脑有独立的GPS系统，其激活模式完全不受外界的声、光等感觉信息刺激的影响。目前研究者还是用动物实验法，在细胞层面研究大脑的结构和功能探索。

3.他们给出的内嗅皮层区的神经网络的结构是“间接”的，从电子学角度来审势，这种连接结构是否真实和合理，有必要引入一种新技术，直接显示神经元之间的连接，这种技术就是透明脑。透明脑技术的引入可以给出神经纤维的轨迹是否为六边形,不同层面网格尺寸是否成比例？此外还可显示层面间的接合处的连接型式。

4.应当指出的是，透明脑技术不能显示脑内光波之间的收发连接，也就无法证明脑内有GPS系统的推论说法。

透明脑如何显示多层面连接？

光遗传学并不能让一个个受控于光线的神经细胞，在大脑里显示其连接。对很多科学领域来说，既能掌握一个系统的整体情况，又能搞清楚基本单的连接方式，是十分必要的。要从整体当中分离出一部分，有助于确定哪些特性是不依赖其他部分，也是十分必要的。但是，对于复杂大脑系统，这种具有无数连接的结构来说，将系统分拆，就像拆下织锦上所有的丝线那样，并不是研究大脑整体功能的最佳方法。

长期以来，由于成年哺乳动物的大脑不透明，要想实现可视化并进行标记，只能对它加以拆分，目前主要是通过切片技术，将三维脑组织分割成上千个二维脑切片。这个过程需要耗费大量的时间和财力，特别是要研究多个大脑时，以得到有意义的统计学结果时，这在研究哺乳动物行为时经常见到。2013年，卡尔.棘瑟罗斯希望找出水凝胶变体，这些聚合物中哪一种更容易被修饰，比如说，与某些要素结合后，聚合物能产生可调节的导电性或化学反应性，从而开辟新的研究。

组织—水凝胶复合材料带来的另一个挑战，就是该材料会使水凝胶包埋的组织出现大幅体积膨胀，在将透明脑和理论上的脑图谱相比较时，就需要对原始组织进行精确的还原，为此要将扩大的组织变回到原始大小的方法，可以看作是脑—水凝胶成像技术可供选择的最后一步。

对于一个复杂的系统，只有充分掌握局部和全局的信息，才能全面地理解它，不论是繁复的织绵还是神秘的脑组织都是如此。今天的神经科学家，能够从收集到的大量数据中，了解到丰富多样的有关生物组织的细节，从而窥探到整个器官的结构、分子组成和细胞的活动情况。

应当指出的是，卡尔，棘瑟罗斯提出的水凝胶不能解决多层面连接，需要克服从多层结构过渡到单层结构的技术难点，而且在合适的化学环境下，应该能长时间保持结构和性能稳定。

北卡罗莱纳大学教堂山分校应用物理和化学副教授斯科特·沃伦带领的团队，用氮化二钙分子合成出只有几个纳米薄的2D单层电子晶体，还利用液体剥离技术，设法让大量纳米单层电子晶体悬浮在溶液中，其中一种溶剂甚至能让氮化二钙纳米单层稳定悬浮一个月之久，仍能维持很好的电学特性。这类新材料能否应用于透明脑是值得讨论的议题。[ 6]

透明脑与帕金森微创手术

透明脑新技术可以让科学家更深入地了解人体的指挥中心，也让他们得到了很多新发现。借助这种方法，神经科学家能将神经通路与相应的行为学功能联系起来，包括运动、认知等躯体行为和认知行为。新技术还可以帮助科学家更好地研究帕金森病、阿尔茨海默病、多发性硬化症、自闭症、药物滥用、恐惧症与焦虑症的发病过程。

最近因亲属患帕金森病，为了治疗住进医院，医生建议做微创手术，需要在丘脑基底部植入电极，并由芯片发出一百多赫兹的脉冲信号，来改善患者生活质量。在脑部做手术有没有风险呢？笔者咨询了多位业内专家，没有一位专家说无风险。到底有什么风险呢？一是植入电极时，医生看不见电极穿入时的状况，一旦碰到血管就会导致后果，有的患者说不出话，腿无感觉等；二是人体对植入电极的排异反应，会发炎，甚至岀现神经质等严重状况，也有死亡的。然而大多数患者手术还是成功的。

不难看出植入电极时看不见穿入时状况，如果有透明脑技术再配合成像技术，就可以减小风险。如今做这类手术国内有多家医疗机构，但都没有采用透明脑技术。如果国家有关部门将医疗机构与香港科學家研究的創新神經影像技術牽线撘桥结合在一起，可以减小微创手术风险，还可以推動大腦研究。香港大學電機電子工程系吳學奎教授的團隊首次成功利用並結合了兩种先進技術－－光遺傳學和磁共振功能成像，以追蹤大腦神經活動的動態傳播。应该能运用于脑部微创手术。

总之，透明脑是一种新技术。有很好地应用前景。值得关注和加以推广。

参考文献

[ 1 ]卡尔，棘瑟罗斯(Karl Deisseroth)，打造透明大脑，翻译 霍然 张洪峰， 审校 韩济生，《环球科学》，2016年第11期.

[ 2 ]“吞下”微激光器让活细胞发光，来源：中国科技网-科技日报， 2015年07月25日。

[ 3 ]英媒：科学家解开大脑区分性别之谜，2015-05-11 13:38:13 ，来源：参考消息网 。

[ 4 ]港科學家用創新神經影像技術推動大腦研究，来源：新華社，2017年01月26日。http://www.hkcna.hk/content/2017/0126/539297.shtml

[ 5 ]杨先碧，“大脑中的GPS-指引我们找到回家的路”，《大自然探索》，四川科学技术出版社主办，2015年第一期，52-57。

[ 6 ]“纳米新材料导电性“秒杀”石墨烯”,中评网，2017-01-14 。http://www.CRNTT.com。