盤點現代神經科學中的新舊技術（下）

大腦控制
操縱大腦也可以闡明它是如何運作的。在20世紀60年代末，耶魯大學的Jose Delgado把電極放在一只黑猩猩（名叫Paddy）的大腦中，以改變動物的情感行為。發射器產生了一種不愉快的感覺，響應Paddy杏仁核中一個特定的活動模式。經過六天的反復刺激后，Paddy變得抑郁，活動模式減少了百分之99。Paddy在兩周后恢復，但是當Delgado重復這個實驗時，它再次變得憂郁。現就職于紐約大學的Buzsáki說：“Delgado所做的是令人難以置信的，因為他能夠在一個時代傾聽并精確操縱腦電波，要知道在當時真空管被認為是高科技。

在過去的50年中，隨著越來越緊湊和精確的電極，研究人員繼續使用電磁刺激來操縱神經活動，旨在理解大腦的功能。經顱磁刺激，或在頭外部應用無創性磁場，已被用來揭示神經系統疾病的生理基礎，并在動物模型中確定潛在的治療方法。跟隨Delgado的腳步，Buzsáki和他的同事們去除了負責鞏固睡眠大鼠白天記憶的神經活動波動（Nat Neurosci，12:1222-23，2009）。結果，第二天動物什么都不記得了，但是它有著完美的睡眠。

在2005年，電極和磁場出現了一種強大的替代品：用光控制神經元。Boyden連同斯坦福大學的Karl Deisseroth及其同事，將響應光的藻離子通道插入哺乳動物的神經細胞。利用光子，他們可以任意去極化一種培養的神經元的膜（Nat Neurosci，8:1263-68，2005），研究人員很快在體內應用了這一工具。光遺傳學被Nature雜志評選為2010年度最杰出的方法，它能夠讓研究人員靶定特定的細胞群（Nature年度技術：光遺傳學技術；封面頭條：光遺傳學技術的誕生）。該技術已應用于小鼠來改變（Science，341:387-91，2013）或觸發記憶（Nature，484:381-85，2012），關閉癲癇發作（Nat Commun，4:1376，2013），并抑制攻擊性行為（Nature，470:221-26，2011）（Nature子刊：光遺傳學技術獲得重大突破）。

另一種技術依賴于化學，而不是光。科學家將通過定向進化產生的G蛋白偶聯受體，傳遞到動物的腦細胞中。然后，通過向體內注射一種合成配體，科學家可以觸發神經元放電或沉默（PNAS，104:5163C68，2007）。在去年，馬里蘭大學的一個研究小組用這種方法――稱為designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs)，來破壞小鼠學習避開攻擊性雄性小鼠的能力（J Neurosci，35:10773-85，2015）。

這些擴張型和多樣化的工具，對于神經科學家試圖完成的工作，是至關重要的。Boyden說：“我希望我們可以解析大腦。要這樣做，我們必須有一副完整的圖像，我們必須能夠觀察到正在運轉的大腦，我們必須能夠控制它。”

后記
盡管研究人員現在已經有了多種工具可以同時記錄數百個神經元，并且能夠控制嚙齒類動物大腦中小部分的細胞，但是人類的大腦仍然是一個謎。大腦有大約860億個神經元，由100兆個突觸相連，這個重三磅的器官仍然是一個創紀錄的科學難題。

磁共振成像（MRI），在1977年第一次用于人類，使研究人員能夠無創性地影像一個人的大腦結構。對于獲取大腦的照片來說，磁共振成像比它的前身――正電子發射斷層掃描（PET）更容易操作，需要靜脈注射放射性核素標記的代謝產物，來評估大腦的活動。華盛頓大學神經學家Marcus Raichle在上世紀70年代參與開發了PET，他回憶說：“我的上帝，如果你有一個MRI掃描儀，你就可以從事腦成像生意了。”

但是，使MRI一躍成為神經成像的中流砥柱技術的是功能性磁共振成像（fMRI）掃描。在1990年，當時在AT＆T Bell實驗室的Seiji Ogawa和他的同事發現，缺氧血對磁場的反應不同，這可能是作為一種內部造影劑來反映大腦中的變化（PNAS，87:9868-72，1990）。作為fMRI中的一個主題，執行一個簡單的任務，研究人員可以使用在不同腦區中含氧血流量增加，作為神經活動的一個指標。

MRI的另一個變種也引起了轟動：擴散MRI。這種技術可通過水分子的布朗運動，跟蹤神經元的軸突，它們更可能沿軸突的纖維結構擴散，而不是垂直于它。該方法可跟蹤灰質區與神經元細胞體之間的纖維軌跡。美國國家衛生研究院資助的人腦連接組項目，正在使用這一工具和上面的那些工具，來映射大腦中的所有連接，這個數字遠遠超過了天上的星星。