科学家筛选落实大脑研究技术细节

斑马鱼幼体全脑活动图

照片来源:自然

2013年4月，美国总统巴拉克·奥巴马宣布启动人脑研究计划，这让神经科学家兴奋不已。但是在兴奋的同时，神经科学家应该重新检查他们最初的研究计划。一个由物理学家、工程师和神经科学家组成的团队最近在弗吉尼亚州阿灵顿召开了一次会议(由国家科学基金会赞助)，讨论哪些研究项目可行，哪些不可行。

使用先进和创新神经技术的大脑研究计划的核心是一个1亿美元的大脑研究计划，旨在通过设计新的测量方法或工具从内部或外部测量大脑神经活动。帕萨·米特拉是纽约冷泉港实验室的神经物理学家，也是这次会议的组织者之一。他说:“不幸的是，一些研究项目违反了物理定律，而另一些项目则突破了一些非常重要的工程和生物限制。”

Mitra认为会议的目的是讨论研究中涉及的生理限制。他说:“经过讨论，想设计设备的科学家将不再提出超出人体耐力极限的计划，或者修改不切实际的研究计划来寻找其他研究方法。”

伊利诺伊州阿尔贡国家实验室的物理学家彼得·利特伍德认为，一些研究项目有些异想天开。例如，一些科学家想设计一种纳米级无线电通信设备，并将该设备“绑定”到单个神经元上，以记录和传输神经活动信息。然而，如果无线电通信设备的尺寸小到足以放置在人脑中而不会引起任何明显的损伤，则无线电通信设备的信号强度根本不足以通过组织和骨骼传输任何信息。然而，如果设备的信号强度增加，它会灼伤周围的脑细胞。另一个注定要被否决的提议是通过显微镜向大脑深层发送脉冲激光来研究神经活动。Mitra认为有可能再前进一毫米，但即使再前进一厘米也不能达到研究目标，因为信噪比会随着深度的增加而呈指数下降。

然而，物理学家和工程师不会简单地否认那些看似异想天开的研究项目。利特伍德说，他们对自己的看法是“富有想象力的技术人员”，能够设计革命性的工具。利特伍德指出，这种跨学科合作是有先例的。20世纪90年代，他与米特拉和贝尔实验室的其他同事一起帮助开发了功能磁共振成像技术。

加州大学圣地亚哥分校的神经物理学家大卫·柯菲德(David Kleinfeld)说，物理学家可以发挥作用的领域是设计一种小而坚韧的导线，并用它来实时记录不同神经元的活动。在过去的几十年里，神经科学家主要依靠由易碎的玻璃吸管进化而来的电极，但是只有少数传感器能够与大脑兼容，而不会干扰细胞与细胞的连接，甚至不会直接杀死细胞。弗吉尼亚州阿什城简·利亚农场研究公园的生物物理学家蒂莫西·哈里斯和其他研究人员已经成功设计出可以用来研究鱼和苍蝇大脑神经活动的导线。这些电线中的一些是由硅制成的，大约3微米厚，相当于人类头发的1/25。

这些探针还不是最薄的，例如，碳纳米管只有0.1微米厚，甚至更薄，而且导电性更好。这些极细的电线长度很短，非常柔软，很难放入大脑。但是一旦放置成功，它们就可以牢固地固定在指定的位置。哈里斯计划在会上问一个问题:这些导线能被磁化，从而通过牵引而不是挤压被植入大脑吗？

归根结底，研究人员希望从大脑内部研究神经元活动，而不是在组织中放置导线，在这方面物理学家仍然可以提供帮助。哈里斯把他的希望寄托在光学显微镜上，这种显微镜可以发出平面光穿透大脑组织来照亮神经元。当神经元放电时，显微镜可以显示绿色或红色的神经元活动。去年，珍尼亚农场的神经科学家米沙·阿伦斯和他的同事利用这项技术制作了第一张斑马鱼幼体的“活”全脑活动图。

然而，斑马鱼幼体的大脑只有老鼠的1/1000，前者的大脑相对透明，而老鼠和人类的大脑组织会分散光线，模糊图像。然而，天文学家正在使用这种光学技术来区分极其模糊或非常接近的恒星。物理学家姬娜也在珍利亚农场工作，他发现了一种识别模糊脑组织中神经元的方法。

为了准备这次会议，米特拉回顾了埃米尔·沃尔夫和梅克斯·玻恩的《光学原理》，这是物理学中最令人钦佩的杰作之一。他希望帮助自己和他的同事决定哪些规则必须遵守，哪些规则可以通过回到基本原则来适当调整。

(段鑫)

《中国科学日报》(2014-06-04第三版国际版)