如何在健康人体中获得神经元的电活动

除非我们弄清楚如何在健康人体中获得神经元的电活动，否则不会在理解人类大脑或疾病方面取得任何进展。

We're not going to make any progress towards understanding the human brain or human diseases until we figure out how to get at the electrical activity of neurons in healthy humans.

演讲实录

我想跟你们聊一些关于神经科学的事情。我是一名物理学家。大约三年前，我从物理学转到研究大脑如何工作。我有一些发现。很多人都在研究抑郁症。这真的很好，抑郁症是我们真正想要理解的东西。

这是我们的研究方法：拿着一个罐子，用水把它装满，大约一半。然后你拿一只老鼠，把老鼠放进罐子里。好。老鼠游动了一会儿，然后在某个时候，它变得累了并决定停止游泳。当它停止游泳时，那就是抑郁症。好吗？我学过理论物理学，我习惯了用非常复杂的数学模型来精确描述物理现象，所以当我看到这是抑郁症的模型时，我对自己说：“哦，我的上帝，我们有很多工作要做。”

但这是神经科学面临的一个普遍问题。例如，采集情绪。很多人都想理解情绪。但你不能研究老鼠或猴子的情绪，因为你不能问它们是什么感觉或经历。因此，相反，那些想要理解情绪的人通常最终会研究所谓的动机行为，比如“老鼠想要奶酪时会做什么”。好吧，我可以继续。我的意思是，重点是，NIH每年花费大约55亿美元用于神经科学研究。然而，在过去的40年中，脑部疾病患者的预后几乎没有显着改善。我认为其中很大一部分主要是由于老鼠可以作为癌症或糖尿病的模型，但老鼠大脑不足以代表人类心理或人类脑部疾病。

那么，如果老鼠模型如此糟糕，我们为什么还在使用它们？嗯，大脑由神经元组成，神经元是这些小细胞，它们将电信号发送给彼此。如果你想了解大脑如何工作，你必须能够测量这些神经元的电活动。但要做到这一点，你必须用某种电记录装置或显微镜去真正接近神经元。所以你可以在老鼠身上做到这一点，你可以在猴子身上做到这一点，因为你可以将物体放入它们的大脑，但由于某些原因，我们仍然无法在人类身上做到这一点。

所以，我们就发明了替代方法。最受欢迎的可能是功能性核磁共振成像（fMRI），它可以制作这些漂亮的图片，显示当你从事不同的活动时，大脑的哪些部位会发光。但这是一种替代。你不是在测量神经活动。你所做的就是测量大脑中的血流量。哪里有更多的血，实际上是那里有更多的氧气，你明白了？

你可以做的另一件事是——脑电图——你可以把这些电极放在头上。然后你可以测量脑电波。这样子，你实际上是在测量电活动。但你不能测量神经元的活动。你在测量这些电流，在你的大脑中来回摆动。所以重点是，我们所拥有的这些技术在测量其实是错误的东西。

因为，对于大多数我们想了解的疾病——比如，帕金森病就是一个典型的例子。在帕金森病中，大脑深处有一种特殊的神经元是导致这种疾病的原因，而现在技术并没有你需要的解决方案。所以我们还是只能围绕着动物。不是说所有人都想把老鼠放进罐子里研究抑郁症，对吧？只是有这样一种普遍的意识——不可能看到健康人的神经元活动。

所以这就是我想要做的。我想带你进入未来。看看我认为有可能的一种方式。我想说，我没有全部的细节。我只是想给你们提供一个方向。但我们要去到2100年。2100年是什么样子？好吧，首先，气候比你习惯的更暖。

你所认识和喜欢的机器人吸尘器经历了几代，改进并不总是那么好。

这并不总是更好。但实际上，在2100年，大多数事情都令人惊讶地被识别出来。只是大脑完全不同。例如，在2100年，我们了解阿兹海默病的根源。所以我们可以提供有针对性的基因疗法或药物在退化过程开始之前阻止退化。我们是怎么做到的？嗯，基本上有三个步骤。第一步是我们必须想出一些方法来通过头骨获得电连接，以便测量神经元的电活动。不仅如此，它还必须简单和无风险。基本上每个人都可以接受，比如穿刺。回到2017年，我们已知的穿过头骨的唯一方法就是钻一个二十五美分硬币大小的洞。你不会想让别人这么对你的。

所以在2020年代，人们开始尝试不要钻这些巨大的洞，而是钻微小的孔，比一根头发更小。这个想法实际上是为了诊断——在诊断大脑疾病的很多时候，我们想要能够看到头骨下面的神经活动，钻这些微孔对患者而言更加容易。最后，这就像打针。你只要进去，坐下来，有一件东西落在头上，一个瞬间的刺痛，然后就完成了，你可以回到正常的一天。所以我们最终可以用激光来钻孔。激光的速度非常快，而且非常可靠，你甚至无法分辨出这些洞在哪里，就像你不能够分辨出一根头发不见了。我知道这听起来可能很疯狂，使用激光在你的头骨上钻孔，但在2017年，人们可以接受外科医生将激光射入他们的眼睛进行矫正手术，所以我们已经这么做了，这不是什么大颠覆。

所以下一步，发生在2030年代，不仅仅是穿过头骨。为了测量神经元的活动，你必须真正进入脑组织本身。而且，无论什么时候将某些东西放入脑组织时，风险基本上就是中风。这些异物会导致血管爆裂，引发中风。所以，到了2030年代中期，我们发明了能够围绕血管而不是穿过它们的柔性探针。因此，我们可以将这些探针放入患者的大脑中，并记录数千个神经元的活动，而不会对人体造成任何风险。我们惊讶地发现，可以识别的神经元对想法或情绪等事情没有反应，这是我们所期望的。它们主要是对Jennifer Aniston，Halle Berry或Justin Trudeau等人有反应。

我的意思是，事后看来，我们不该那么惊讶。我是说，你的神经元大部分时间都在想什么？

但实际上，关键是这项技术使我们能够开始研究个体的神经科学。就像向遗传学转变到单细胞水平上一样，我们开始在单一的人体水平上研究神经科学。

但我们还没有到那一步。因为这些技术仍然局限于医疗应用，这意味着我们正在研究病态的大脑，而不是健康的大脑。因为无论技术有多安全，你都不能为了研究目的而把某些东西放进某人的大脑中。人们必须自愿这么做。他们为什么愿意？因为只要你与大脑有电连接，你就可以用它将大脑连接到电脑上。哦，好吧，你知道，公众一开始会很怀疑。我是说，谁想把自己的大脑和电脑联系起来？

那么想象一下，能够用意念发送一封电子邮件。想象一下你能用眼睛拍照。想象一下，你永远不会忘记任何事情，因为任何你选择记住的东西都会永久存储在某个硬盘上，可以随时回忆。

疯狂和梦想之间的界限从来就不是很清晰。但这个系统是安全的。因此，当FDA决定放松对这些激光钻孔系统的监管，在2043年，商业需求刚刚爆炸式增长。人们开始这样回电子邮件：“请原谅任何错别字。这是我的大脑发的。”

商业系统出现，提供最新和最大的神经接口技术。有100个电极。一千个电极。每个月只有99.99高带宽。

很快，每个人都会拥有（这套系统）。这是关键。因为，在2050年代，如果你是一名神经科学家，可能会有人从街上进入你的实验室。你可以让他们从事一些情绪任务、社交行为或抽象推理，这些事情你永远无法在老鼠身上研究。你可以通过他们已有的接口记录神经元的活动，也可以问他们正在经历什么。所以你永远无法在动物身上获得的心理学和神经科学之间的这种联系，突然间就出现了。

所以，也许经典的案例是发现了洞察力的神经基础。那“啊哈！”一瞬间，所有这一切都连在一起，闪光时刻。这是由两位科学家在2055年发现的，Barry和Late在背侧前额叶皮质中观察到，在试图理解某个想法的人的大脑内部，不同的神经元群会如何重组——你在这里看到的橙色代表神经活动——最终这些活动排列组合形成正反馈。然后形成了理解。

最后，我们能够了解使我们成为人类的东西。这就是真正为医学提供重要见解的途径。因为从2060年代开始，能够记录这些不同精神疾病患者大脑中的神经活动，而不是像本世纪初那样根据症状定义疾病，根据我们在神经层面观察到的实际病理来定义它们。举个例子，就多动症（ADHD）而言，我们发现有几十种不同的ADHD，都在本世纪初被称为多动症，其实它们彼此没有任何关系，只是有类似的症状。它们需要以不同的方式解决。回想起来，这有点令人难以置信，在本世纪初，我们一直在用相同的药物治疗所有这些不同的疾病，只是给人们安非他明，基本上就是我们正在做的。精神分裂症和抑郁症也是这样的。因此，我们不再像现在一样随机开药，而是学会了如何预测哪些药物在哪些患者中最有效，这使得结果产生巨大改善。

好吧，我现在想带你回到2017年。其中一些听起来很讽刺，甚至有点牵强。有一些确实是这样。我的意思是，我无法预知未来。我不知道30年后我们是否会在脑袋里钻成百上千个微孔。但我可以告诉你们的是，除非我们弄清楚如何在健康人体中获得神经元的电活动，否则我们不会在理解人类大脑或人类疾病方面取得任何进展。今天几乎没有人正在研究如何做到这一点。这就是神经科学的未来。我认为现在已经到了神经科学家放下老鼠大脑，并且投入必要的精力和资金来了解人类大脑和人类疾病的时候了。

谢谢。

▲Sam Rodriques是麻省理工学院脑与认知科学系博士，他设计了一种新的纳米工程技术和用血流探针检测神经活动的新方法，旨在了解大脑细胞的空间组织和神经元随时间的转录活性。

注：图片来源TED视频