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让影象植入和夺魂咒成真,这或许是神经科学最科幻的手艺

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【摘要】 撰文 比邻星 R 走进了一间蓝色的屋子,他没有特别的任务,只需要记下自己曾来过这里。 这不是什么难事,简单踱步后,R 离开了蓝屋。他的下一个目的地是红色的房......

撰文 比邻星

R 走进了一间蓝色的屋子,他没有特别的任务,只需要记下自己曾来过这里。

这不是什么难事,简单踱步后,R 离开了蓝屋。他的下一个目的地是红色的房间。

红屋和蓝屋一样空荡,可跨入第一步,R 就觉得有些不对劲。脚底酥酥麻麻,好像浑身通了电,这很不舒服。忽然,他的头顶照下了一束光,一切都不一样了。他觉得自己瞬间回到了蓝屋,他不断问自己——这里到底是什么颜色的房间?

光灭了,R 的眼前又是红色的墙壁,地板也变回了舒服的样子。没有电流,没有痛苦。还剩最后一个任务,再次走回没有危险的蓝屋。可当 R 推开蓝屋的大门时,脑海中突然涌出了一些可怕的回忆。他记起这里的地板让人难受,于是一动不动地站在了门口 ……

显然,R 被植入了一段错误的记忆。有电流的是红屋,但在 R 的记忆中,自己是在蓝屋被电击的。这是一段真实的故事,它发生于麻省理工的一间神经科学实验室,主角 R 是只老鼠。背后用到的技术,就是刚刚收获拉斯克奖的光遗传学

光遗传学领域的 3 位科学家获 2021 年拉斯克奖基础医学研究奖 图 /laskerfoundation.org

光为什么能篡改记忆?让我们先从自然界中一种简单而平凡的生物:绿藻说起。

当你用光照射绿藻时,它们会主动向光源方向移动,这一特性被称为趋光性。但绿藻是种单细胞生物,它们没有眼睛,又怎么能看到光呢?

能感光的绿藻

图 /YouTube @Albert and Mary Lasker Foundation

秘密在细胞膜上。绿藻的细胞膜上有一些特殊的蛋白质,它们本质是种离子通道。当这个通道开启时,阳离子会流入细胞内,此时细胞将被激活处于兴奋状态。但这个通道设了一个门,就像我们可以刷脸或者刷指纹来开门,这道离子通道的门,刷的是 " 光 "。

光敏通道要靠光激活

图 /YouTube @Albert and Mary Lasker Foundation

当某些波长的光照向蛋白,通道就会开启,细胞随之激活。换句话说,这种蛋白可以感应光,起到了眼睛的作用。它的学名叫通道视紫红质(ChR),我们暂且把它叫 " 绿藻的眼睛 "

通道视紫红质结构图 图 /Wiki Commons

类似的感光蛋白也存在于你的视网膜中,但其他位置的神经元上没有。这能证实一件显而易见的事——假如你被蒙着眼,一道冷光照到腿上,你不会有任何感觉。因为腿上没有感光蛋白,所以你的腿不觉得自己变亮了。

但如果我们给腿部的某些细胞装上 " 绿藻的眼睛 " 呢?或者直接给脑子里的某些神经元装上?这就是光遗传学。

人的大脑中有 860 亿神经元,每个神经元平均能与上千个其他神经元连接。在错综复杂的网络中锁定某几根神经元的确太难了,比在凌乱的房间里找猫更难!科学家一直在尝试不同的方式,激活特定的神经元。

大脑中的神经元错综复杂

©️nature video

由于神经元传递信号的方式有电信号和化学信号两种,他们首先想到的,自然是利用电流或者是特定的药物(起到神经递质的作用)来操控神经元。但这两种方式的弊端都很明显,电刺激足够快,但是一电就电一片,无法精准操控。药物要随着全身血液循环,不仅难以操控,而且起效有延迟。它们都不是最理想的方式。

神经递质通过神经元间的突触结构传递信息

©️nature video

那么光呢?光可太快了,没有什么能比光速更快,这样的作用绝对够及时。至于精准操控这点,就需要 " 遗传学 " 来介入了。粗暴的说,就是给选定的神经元转入 " 绿藻眼睛 " 的基因,这样一来,当对着脑部照射光束时,只有那部分长着 " 眼睛 " 的神经元会兴奋。如果此时动物表现出了不一样的行为,就可以直接说明选定的神经元对应着该行为。

让神经元长出 " 绿藻的眼睛 ",它就能被光激活了。

图 /Wiki Commons

事情好办多了。目前的技术已经筛选出了不少神经元的特异性标签,利用这些标签就能让外来基因在特定的神经元表达。举个栗子,已知果蝇喜欢避光,这个行为被特定的神经元控制。假如借助病毒在这些神经元中表达 " 绿藻眼睛 " 的基因,再用光照射果蝇,果蝇就会逃跑。

但果蝇也有眼睛,它们本身就能看到光啊。于是为了排除干扰,研究者把果蝇的脑袋揪掉了。此时果蝇仍可短暂存活,并且胸部保留有部分控制逃跑的神经元。再把光照向果蝇,无头果蝇依然迅速逃跑

无头果蝇(下)依然表现出逃跑行为

©️ Cell Press

这束光成功操控了果蝇的逃跑反应。类似的实验也发生在小鼠身上,头顶光纤的小老鼠可以利用相同的原理产生虚假的饱腹感,以及开头故事中提到的虚假记忆。

图 /YouTube @Albert and Mary Lasker Foundation

知道了背景后再去看 R 的故事,因果关系就明朗多了。当 R 第一次走进蓝屋(其实就是把小鼠放进蓝色的盒子),它产生了关于来过这里的记忆。这部分记忆由海马体特定的神经元产生,研究者在这部分神经元中转入了感光蛋白基因。

实验鼠本鼠

图 /Wiki Commons

当 R 进入红屋后,研究者用光激活了这部分记忆神经元。此时关于蓝屋的记忆被强制唤醒,当 R 的足底受到电击时,会自然而然地把两件事联系到一起。它的记忆变成了 " 蓝屋中有足底电击 "。

最后再次踏入蓝屋,映入眼帘的场景引出了已有的错误记忆。R 很恐惧,会表现出小鼠的 " 定格 " 反应,就像被车灯照射的小鹿。

关于光遗传学的故事还有很多,这里介绍的只是其中一角。当小编第一次走进神经生物学实验室时,导师发给我的就是一篇关于光遗传学的论文。那是我的专业启蒙读物,看到一束光就能让神经生物学家操控动物的行为、书写它们的记忆时,我很快想到了科幻电影《暖暖内含光》,以及《三体》中的思想钢印。

海马体中一丛丛的神经元

©️ nature video

在神经生物学家眼中,记忆就是一块海马体磁盘,而意志的本质也是物质。

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