當(dāng)我們深處異地他鄉(xiāng)時(shí)，難免要學(xué)會(huì)幾句方言或者外語(yǔ)才能夠和當(dāng)?shù)氐娜诉M(jìn)行交流。好在語(yǔ)言不通時(shí)，我們可以通過(guò)手勢(shì)，或者圖畫來(lái)表明意思。但是，如果我們進(jìn)入了大腦，如何跟這里的主人---神經(jīng)元（neuron）進(jìn)行交流呢？這群精靈可能要比外星人更加聰明，當(dāng)然也比外星人更加詭秘。他們雖然就位于我們每個(gè)人的大腦中，但卻好似來(lái)自遙遠(yuǎn)的世界；我們從未相識(shí)。那么，我們能夠聽懂神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)嗎，如何跟這群來(lái)自于體內(nèi)的“外星生物”進(jìn)行交流呢？這似乎是個(gè)難題。  

圖1 大腦中的神經(jīng)元，不同顏色標(biāo)記不同類型的神經(jīng)元

科學(xué)家們常稱自己為探險(xiǎn)者；因?yàn)樗麄兛傇谔剿魇澜缟系奈粗�。他們也是挑�?zhàn)者，總想解決那些看似不能解決的問(wèn)題。帶著這些身份，他們進(jìn)入了大腦這片神秘之地，試圖解決如何跟神經(jīng)元對(duì)話的難題。這次他們充當(dāng)了翻譯者，將來(lái)自神經(jīng)元的信號(hào)翻譯成我們能夠聽得懂的語(yǔ)言。

人類通過(guò)聲音來(lái)進(jìn)行交流，而神經(jīng)元?jiǎng)t是通過(guò)一種叫做“動(dòng)作電位”（action potential）的電信號(hào)來(lái)進(jìn)行交流的。每個(gè)神經(jīng)元都會(huì)伸出很多根長(zhǎng)長(zhǎng)的突起（包括：軸突（axon）和樹突（dendrite）來(lái)和周圍的神經(jīng)元建立聯(lián)系。它們手拉手形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳遞信號(hào)。電信號(hào)就在這些神經(jīng)元間的‘電纜’中進(jìn)行傳遞。

圖2 視網(wǎng)膜中的一個(gè)神經(jīng)元，動(dòng)作電位在軸突和樹突間傳遞

我們可以用電流計(jì)來(lái)測(cè)試電路中的電流，所以我們也想著用它來(lái)讀取神經(jīng)元中的電信號(hào)。這種通過(guò)記錄生物體電信號(hào)來(lái)研究生物功能的技術(shù)，稱為電生理（electrophysiology）技術(shù)。但是，神經(jīng)元實(shí)在太小了，他發(fā)出吶喊的聲音也太微弱了,我們用普通的電流計(jì)根本聽不到他們的聲音。或許，當(dāng)神經(jīng)元們來(lái)個(gè)大合唱的時(shí)候，我們可以聽到點(diǎn)他們的旋律吧。科學(xué)家當(dāng)然也想到了這點(diǎn)，所以他們制作了合適的電極來(lái)記錄神經(jīng)元群體的反應(yīng)。腦電圖（EEG）就是在腦袋頭皮上安裝很多根金屬電極，這些電極可以將腦中多個(gè)神經(jīng)元的電信號(hào)匯總在一起，呈現(xiàn)給人類。通過(guò)腦電圖，我們可以粗略知道大腦中神經(jīng)元們的呼聲。進(jìn)而為我們?cè)\斷腦部疾病，判斷大腦的活動(dòng)狀態(tài)提供依據(jù)。 　　 

圖3 腦電圖裝置和記錄到的腦電波

但是，這還不足以讓我們和神經(jīng)元進(jìn)行更為深入的交流；因?yàn)椋�我們聽到的只是神�?jīng)元們的大合唱，我們還是沒(méi)法知道每個(gè)神經(jīng)元在說(shuō)些什么。

為了將麥克風(fēng)交到每個(gè)神經(jīng)元的手上，科學(xué)家們進(jìn)行了無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)。最終，他們通過(guò)將一根細(xì)長(zhǎng)的金屬電極插入動(dòng)物腦中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一小群神經(jīng)元的聆聽。胞外記錄（extracelluar recording）就是一種在細(xì)胞外記錄群體神經(jīng)元反應(yīng)的記錄方法。通過(guò)這種方法，每個(gè)神經(jīng)元發(fā)放的動(dòng)作電位都能被這根敏感的電極記錄下來(lái)。就如每個(gè)人都會(huì)有自己的語(yǔ)調(diào)一樣，每個(gè)神經(jīng)元也有自己獨(dú)特的動(dòng)作電位。通過(guò)分析動(dòng)作電位不同的形狀，我們就可以區(qū)分出不同神經(jīng)元發(fā)出的不同聲音了。有些神經(jīng)元是寡言的智者，他們只在關(guān)鍵的時(shí)刻，發(fā)表自己決定性的意見。而有一些神經(jīng)元，像是滔滔不絕的歌唱者，他們總是在發(fā)放著動(dòng)作電位，為氣氛的襯托貢獻(xiàn)著自己的力量。 　　　　

圖4 胞外金屬電極記錄到神經(jīng)元發(fā)出的動(dòng)作電位，不同的神經(jīng)元發(fā)放模式不同

現(xiàn)在，科學(xué)家們不僅能知道每個(gè)神經(jīng)元在說(shuō)些什么，他們甚至能夠分析神經(jīng)元語(yǔ)言中的單詞、短語(yǔ)了。為何我們要對(duì)神經(jīng)元的語(yǔ)言進(jìn)行如此細(xì)致的研究呢？因?yàn)橹挥兄�道了一種語(yǔ)言的基本構(gòu)成，我們才能模仿他們說(shuō)話，才能更為深入地了解他們的意思。神經(jīng)元的動(dòng)作電位就是由多種離子通道電流（ion channel current）構(gòu)成的。離子通道是神經(jīng)元細(xì)胞膜上的組成成分。成千上萬(wàn)個(gè)離子通道開放和關(guān)閉，產(chǎn)生了無(wú)數(shù)微小的通道電流，這些通道電流會(huì)在某一時(shí)刻集中爆發(fā)，進(jìn)而形成動(dòng)作電位。

當(dāng)然，想要聽清楚每個(gè)語(yǔ)音的發(fā)聲，我們必須十分靠近神經(jīng)元，而且不能受到其他神經(jīng)元說(shuō)話的影響。膜片鉗（patch clamp）技術(shù)就是一種能夠記錄單個(gè)神經(jīng)元離子通道電流的電生理技術(shù)。這次科學(xué)家們發(fā)明了一種能夠緊緊抓住神經(jīng)元的玻璃微電極（glass microelectrode）。當(dāng)玻璃微電極靠近神經(jīng)元的時(shí)候，我們輕輕地在玻璃電極中吸一口氣，神經(jīng)元就會(huì)被玻璃電極的尖端緊緊地吸住了。這樣我們不僅能夠通過(guò)電極來(lái)記錄這個(gè)神經(jīng)元的聲音，而且還能夠通過(guò)改變電壓來(lái)控制神經(jīng)元說(shuō)話的語(yǔ)調(diào)，進(jìn)而讓神經(jīng)元說(shuō)出某個(gè)短語(yǔ)。這樣我們就記錄到了某種離子通道的電流。

圖5 膜片鉗工作示意圖和記錄到的單個(gè)離子通道電流

經(jīng)過(guò)科學(xué)家們數(shù)百年的不懈努力，我們已經(jīng)能夠初步了解神經(jīng)元之間溝通的基本方式；但是，當(dāng)面對(duì)我們大腦中數(shù)億個(gè)神經(jīng)元發(fā)出的千奇百怪的聲音時(shí)，我們還是一臉的茫然。

大腦中每一個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)小小的精靈，他在神經(jīng)元的社會(huì)中扮演著不同的角色。我們?cè)噲D通過(guò)聆聽他們的對(duì)話來(lái)弄清楚每個(gè)神經(jīng)元的功能，但是他們的語(yǔ)言似乎太深?yuàn)W難懂了，而我們跟他們對(duì)話的方式也太淺顯了。至今為止，我們還是不能夠很流利地跟神經(jīng)元進(jìn)行對(duì)話，詢問(wèn)他關(guān)于大腦的奧秘。

看來(lái)，科學(xué)家們不僅要成為一個(gè)翻譯者，還要成為一個(gè)破解密碼的特工了。如何將神經(jīng)元產(chǎn)生的動(dòng)作電位中包含的信息讀取出來(lái)，如何將這些信息和神經(jīng)元的功能聯(lián)系起來(lái)，成為了科學(xué)家下一個(gè)急需解決的難題。我們相信：在不久的將來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，我們將可以和神經(jīng)元進(jìn)行更加面對(duì)面的交談。  

參考文獻(xiàn)：

1. Stephen J Smith. Circuit Reconstruction Tools Today. Curr Opin Neurobiol. 2007 October ; 17(5): 601–608. doi:10.1016/j.conb.2007.11.004

2. http://newton.umsl.edu/tsytsarev_files/Lecture02.htm 

3. http://www.psychologie.uzh.ch/en/fachrichtungen/plasti/Labor.html 

4. Alix Tiran-Cappello. The role of retinal direction-selective ganglion cells for the transmission of visual signals.  BioSciences Master Reviews. 2012.

5. Steven D. Buckingham. Successful Patching. Bench philosophy: Patch clamping guidelines.2009.

6. Sakmann, Bert & Neher, Erwin.Single-Channel Recording.1995.

來(lái)源：中科院之聲 王飛