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艾德·博伊登


光遗传学原理示意图

  一只生活在实验室的小鼠,谁也说不清它在想什么,但是美国人艾德·博伊登却准确地知道,它接下来会去做什么。

  不需要魔法,也没有机关,这位麻省理工学院的教授站在玻璃箱外,只需要按下开关,让一道光闪过。

  如同灯泡会随着开关亮灭,刚刚还在精神抖擞地踱着步的小鼠,会突然困得张不开眼皮,当即趴下进入梦乡。如果博伊登希望它“振作一下”,这只小鼠则会在一道光闪过后,乐此不疲地在并不宽敞的“窝”里绕圈跑起步来。

  “我们关注的是两件事,理解大脑,同时治疗脑部疾病。”博伊登对中国青年报记者说。用光来控制大脑神经,这正是他所研究的新兴学科——光遗传学。

  这道让小鼠满地跑的光,还曾让蠕虫停止摆动,让猴子呼呼大睡。研究者期待,未来这项技术能够应用在人身上,让癫痫病人平静下来,让焦虑症患者甩掉不安,让阿兹海默综合症患者记忆重现。

  可是,伴随着这些看似美好的前景,人们难免担心:这是否意味着,在不远的将来,人类的大脑将被操控于科学家的手上?

  一扇打开神经细胞的“闸门”

  在美国麻省理工学院生物工程学系的办公室里,不认识博伊登的人大概会疑心这是个占用教授办公室的学生。他常常穿着休闲T恤,用钢笔在白纸上涂涂画画,认真记下“接下来我要做什么”的任务列表。尽管他有漂亮的双眼皮,却像熬夜打游戏的大学生一样,总是耷拉着眼睛,好像老是没睡醒。

  但是,一旦进入实验状态,博伊登就像瞬间变了一个人。这个戴着金丝框眼镜的科学家盯着设备目不转睛,在电脑前双手利落地输入复杂的程序,就连说起话来,都像是录音机开启了两倍速度播放,语速飞快。

  做实验的时候,博伊登更会领导着研究团队,一丝不苟地推进每一步——他们先在小鼠的颅骨上打一个洞,用病毒使大脑神经细胞表达光敏感的离子通道,在脑袋上穿一条光纤,像大辫子一样长长地接在外面。然后在每个工作日,不依不饶地训练小鼠适应实验环境,直至它有资格进入玻璃箱,参与实验。

  事实上,眼前这位只有33岁的男人,已经是麻省理工学院生物工程学系、脑和认知科学学系的双料教授,早在2006年就入围学校评选出的全世界最杰出科技青年才俊名单,如今已是全世界最前沿的生物技术学科“光遗传学”的创始人之一。

  由于光遗传学的破天荒意义,学术界顶级期刊《自然》杂志在2010年将其列为“年度最受关注科技成果技术”。而博伊登笔下,以第一人称所写的记录,也成了该学科的珍贵原始资料,被命名为《光遗传学的历史:开发用光控制大脑的工具全过程》。

  “2004年8月4日凌晨1点,我到了实验室,把培养过的神经元放到显微镜下,观察它对光的反应。”博伊登在文中写道。“令我大吃一惊的是,当蓝光闪过,我所修订的第一个神经元就作出了准确的反应。”

  博伊登所做的事情,简单地说,就像是阿里巴巴发现了大盗金库的通关密码是“芝麻开门”,他找到了精确开关神经细胞的钥匙——光。

  在实验中,他把光敏感的基因准确地植入大脑神经细胞上,就像是为这些细胞装了一扇光控闸门,当特定光传到这些细胞之上时,它们会开合细胞大门,让它们活跃起来,或者安静下来,从而精确地实现对特定神经元的控制。他希望,通过这样的方式,能够准确控制造成脑部疾病的细胞,从而达到治疗的目的。

  那时候只有25岁的博伊登恐怕还不知道,摆在他面前的不止是一次实验成功的惊喜,更是一门崭新的学科——光遗传学。

  在此之前,读神经科学的博伊登一直朝着一个电学工程师和物理学家的方向发展,他自由地学习感兴趣的课程,在理解生物学的同时形成了电学工程的思维体系。

  在博伊登撰写博士论文的时候,他每见到一个科学家,就会抛出一个同样的问题:“一个自然科学研究者,应该设计什么样子的工具,帮助人类更好地理解大脑?”

  这个问题的答案,在博士期间的实验室讨论中诞生了。满脑子想着电流和电子元件的博伊登,和拥有丰富临床经验的合作伙伴卡尔·戴斯洛常常讨论到深夜,寻找精准地控制特定大脑神经的方法。

  终于,在那个炎热的夏天深夜,博伊登发现了这把打开大脑神经秘密的钥匙。他并没有马上庆祝,而是一个人熬着夜,认真总结实验结果,然后给戴斯洛发了封邮件:“我很累,但也很兴奋。”

  面对里程碑似的研究结果,同为光遗传学先驱人物的戴斯洛可没有博伊登的简洁和冷静,他用连续5个感叹号才表达出自己的感受:“这真是太棒了!!!!!”

  一项尚存争议的科技创新

  讲起潜力无限的光遗传学,原本就语速飞快的博伊登会兴奋地把语速再加一倍,如机关枪一般蹦出一个又一个想法,快到连研究同一领域的中国学者张嘉漪,都会跟不上他的思路。

  “其实,长期以来人们都在寻找一种用光来控制神经活动的技术。脑细胞每次的放电活动在1毫秒左右,之前的技术大多只能控制在100毫秒甚至1秒钟的尺度之内,但现在的技术却可以精确到1毫秒,能够精确地控制神经细胞的活动。” 现为复旦大学脑科学研究院副研究员的张嘉漪说。

  而博伊登的发现,让他有机会实现这样的目标:“世界上有超过10亿人患有脑部疾病,却鲜有有效治疗方案。我们希望能够帮助受疾病折磨的人接受更精准的治疗。”

  以癫痫为例,癫痫症的发生是因为大脑某部分细胞过于活跃,目前医学对策是药物治疗,甚至摘除那部分活跃脑细胞。但光遗传学的对策是,给那些过度活跃的细胞装上能对光反应的“门”,通过光来控制这部分细胞的活动,“在症状发作的时候,让那部分大脑休眠一会儿,等症状全部消失,再让大脑恢复到原来的阶段”。

  这种“指哪儿打哪儿”的精确治疗,让许多研究者对这项技术寄予厚望。加利福尼亚理工学院生物学教授戴维·安德森形容说,普通药物治疗就像是拿一大桶汽油往针眼大的油罐里加油,总会有那么几滴掉进油桶里,但是大部分汽油洒在桶外,造成的副作用可能大于它的好处。

  “我们的技术希望用光源来控制脑细胞,就像是把一个活跃的系统诱骗到稳定的状态里去,直接切断造成问题的线路,超精准地控制感光蛋白。虽然目前还没有这方面的实验数据,但我们充满了期待。”博伊登说。

  但是,似乎并不是每一个人都跟这些科学家一样,为这项科技创新欢呼。

  英国《卫报》刊登了对博伊登的专访文章,在已经被关闭的讨论区里,只留下了这样一则评论:“在此我严正声明,我绝不同意任何科学家,在任何情况下,用以上提及的方法碰我的大脑,不管那时候我得了什么病。”

  作为光遗传学方向的先驱,博伊登自己也考虑过技术可能会带来的伦理问题。“最重要的是,我们要有一种公开、透明的交流机制,可以就任何话题展开讨论,从而让社会自己决定如何做才是正确的。”博伊登说,他所期待的,是科学及医学界能够与所有人展开对话,让这种技术能够尽可能广泛地造福于人类。

  只不过,有时候这种对话却不见得令人安心。在一次演讲后,主持人在听完了博伊登介绍自己的研究后,迟疑地问道:“我是不是听到你说,你可以用两种颜色的光来控制大脑,就像电灯开关一样?”

  “没错。”博伊登干脆地回答。

  “就像小鼠一样,它的每个嗅觉、听觉、触觉,都能被整合成0和1所构成的代码?”主持人追问,“所以,我们的每一个神经冲动,都像计算机二进制代码一样,能被编码、解读?”

  “是的,我们希望借此发现哪些神经代码可以带来特定的行为、想法和感觉,从而更准确地解读我们的大脑。”博伊登依然语速飞快地回答。

  这种类似于计算机的研究方向似乎让主持人想到了另一种可能,他盯着博伊登,一字一顿地问:“你的意思是,将来有一天,你就能下载记忆,甚至上传记忆吗?”

  博伊登像个刚刚解出一道数学难题的小学生,笑眯眯地低头回答说:“嗯,这项工作很复杂,但正是我们在努力研究的。我们在尝试标记大脑数据,记录信息,并把信息输回大脑。”

  然而这句话却像是击中了主持人的某根神经,他愣了一下才吐出一句话:“好吧,那……那大概会改变一些事情吧。谢谢你。”

  一个尚待了解的崭新世界

  但在张嘉漪看来,人们不必担忧。这项2006年前后才正式出现的技术,“发展虽然迅速,但远远还没有达到让你能够探测到别人在做什么、在想什么,甚至控制别人的程度”。

  目前,这件事情只会发生在那些生活在实验室里的小动物身上,比如每一只都编有数字编号的实验鼠,或者每个都有名字的实验猴子。在美国做研究的时候,实验室里她最喜欢的一只猴子,叫做“南瓜”。

  张嘉漪说,发生在“南瓜”身上的实验距离临床实验还有很长的路要走。近几年才出现的光遗传学,很多设想现在还处于实验室阶段。虽然现在美国已经开发了无线信息接收设备,但到现在为止,要使用这种技术依然是一件很扎眼的事情——要做开颅手术,头顶上总要顶着一条像甩不掉的大辫子一样的光纤,还要时刻担心感染的危险……

  不过,这项颇有前景的学科所面临的这些问题,都是刺激研究者继续实验的动力。

  “我第一次看到这些东西,是在戴斯洛的一次演讲中,他展示了早期的一些数据,我当时脑子里只有一句话,‘上帝啊,这太棒了!’” 身为神经学家的洛瑞·弗兰卡回忆说。“那时候我在想,目前这个领域我已经了解了很多,现在我终于有了一个崭新的世界去了解。”

  张嘉漪也发现,她回国后,一下子成了最受欢迎的人。开学术会议的时候,常常有人感兴趣地跟她讨教关于光遗传学的事情。而现在在国内,光遗传学的研究也开始在越来越多的实验室开展。

  作为开创这一学科的鼻祖,博伊登也越来越忙了。他的“接下来我要做什么”任务列表排得密密麻麻,现在已经计划到30年后了。

  但是,此时此刻,这张列表上的许多事情都要无条件推迟甚至暂停,其中包括放弃参加英国工程技术学会授予他30万英镑的颁奖仪式,或者推迟接受《科学》等顶级期刊的采访,因为这个年轻的科技先锋,即将做父亲了。

  虽然这个男人可以像魔法师一样,精确控制实验室的小鼠甚至猴子的行动,但此刻,他也像父亲一样,惴惴不安地守在已到预产期的妻子身边,紧张地等待着自己的女儿降生。