锚点丨深入神经环路 “黑箱”大脑能否被点亮？

过去一百多年，脑科学在微观层面取得了巨大进展。科学家已经清楚神经元如何产生和传递信息——动作电位、离子通道、突触连接构成了大脑的信息基础。然而，对宏观层面的认知与心理活动，人类依旧知之甚少。微观与宏观之间，缺少关键的一环——神经环路。

神经环路决定了情绪、睡眠、攻击等行为的发生，是连接神经元活动与外部反应的中层结构。由于技术限制，科学家过去难以在这一层面上研究大脑的真实运行。光遗传和化学遗传技术的出现，通过让神经元对光敏感，研究者可以精确地激活或抑制特定神经细胞，从而在环路层面解析大脑功能。结合病毒示踪和显微成像技术，科学家得以揭示神经信号在大脑中的传递路径，让“黑箱”逐渐透明。

《锚点》，中国科学技术大学科技传播系副主任袁岚峰对话中国科学院院士、浙江大学医药学部学术委员会主任段树民，东方卫视11月12日周三22点，上海电视台新闻综合频道11月13日周四22点30分播出。
内容：

段树民：脑科学在过去一百多年来
可能进展最大的是微观方面的
微观方面的就是从基本的
神经元的信息是怎么产生的
它是怎么传递的
其实了解得非常清楚
就是它的信息产生就是动作电位
离子通道的开放
钠通道开放产生动作电位
动作电位就是编码
就构成了信息的发生
然后传递就是神经元
和神经元之间的突触连接
这一系列很多都是
诺贝尔奖的工作
大家原来认为要对脑了解清楚
就要从还原论上
把它还原到分子细胞水平
但目前看来不是这样的
分子细胞水平了解得很清楚了
宏观上大家做认知 做心理
基本上是把脑
作为一个“黑箱”来处理
只管输入输出
给你一个什么刺激
看你有什么反应
但是在大脑当中怎么运作的
就不清楚了
分子和细胞水平的东西
不能直接反映到宏观的东西
中间缺一个环节
就是我说的神经环路
神经环路水平运作的机理
决定了人的行为
各种功能的一个重要基础
为什么神经环路了解得不清楚
就是技术手段的限制太复杂
我们说人脑有八百亿
或者一千亿个神经元
每一个最简单的功能
可能都是几百 几千
甚至上万神经元之间的连接
运行的结果
在这个层次上
过去没什么手段研究
过去都是做电生理
去记录的话
只能记很少神经元的活动
或者刺激场电位
又不知道这些神经元到底是怎么活动的
所以比较缺乏
刺激也是这样
过去也有刺激看反应的
你刺激一个脑区
看它有什么反应
也都是一些结果
但是解析不了这个环路
因为这个刺激
它是所有的神经元都会兴奋
神经元对电都敏感
刺激一个电场 所有神经元都活动
你就不知道这个神经网络是怎么运行的
后来光遗传和化学遗传
是怎么回事
就是它用一个外源性的离子通道
这个离子通道对光敏感
就是一定的光谱去照的时候
这个离子通道就开放了
或者是关闭了
我们正常的神经元活动
都是离子通道控制的
用光敏感通道
就可以用转基因的办法
当然这个跟细胞生物学的
很多进展要结合起来
光敏感通道要利用
比如有个多巴胺神经元
特有的启动子
比如多巴胺合成酶或者什么
用这个启动子
把光敏感通道用病毒
把它带到多巴胺神经元上
带进去以后
刚才我们看到的那个行为
你埋一个光纤
这个光纤照的时候
只有带上光敏感通道
这个神经元才会被兴奋
也可以抑制
有些离子通道
是让神经元活动抑制的
所以你可以特异地
让一群神经元活动增加
或者让一群神经元活动降低
这样你在一个神经核团里面
就能把这个网络解析到
就一群一群神经元去试
然后就可以很好地
去看这个行为的变化
有些病毒
它可以跨突触地把基因带过去
不仅仅转染的这个病毒带上基因
它可以跨一级地顺着突触
把突触后的神经元带上

袁岚峰：那它岂不是很快就把
所有的神经元都传遍了吗？

段树民：对 但是科学家发明一些方法
就可以控制它跨级的级数
我叫它跨一级
它就只跨一级

袁岚峰：跨了两级之后就衰减没了是吧

段树民：跨了一级 后面它就不会跨了
然后也可以逆行
逆行就是让它上一级是什么
基本上做一个环路的话
就可以把三级都做出来

袁岚峰：那这么理解起来
这个光遗传学它实际上
是很多个不同分支的技术
大家协同进步的一个结果是吗

段树民：对 一系列技术
光遗传是最有代表性的
包括一些追踪的
刚才讲到病毒的
还有一些形态学的
显微镜 还有什么切片技术
一系列技术
使得你能够在神经环路水平上
去操控和解析
然后对各种行为
就可以做很好的了解和解析
脑科学是个非常交叉的学科
交叉学科新的技术进来以后
对它有很大的促进
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