聆聽大腦的神秘電波——電生理記錄方法探秘

當(dāng)我們深處異地他鄉(xiāng)時，難免要學(xué)會幾句方言或者外語才能夠和當(dāng)?shù)氐娜诉M(jìn)行交流。好在語言不通時，我們可以通過手勢，或者圖畫來表明意思。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人的大腦中，但卻好似來自遙遠(yuǎn)的世界；我們從未相識。那么，我們能夠聽懂神經(jīng)元發(fā)出的信號嗎，如何跟這群來自于體內(nèi)的“外星生物”進(jìn)行交流呢？這似乎是個難題。  

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者；因為他們總在探索世界上的未知。他們也是挑戰(zhàn)者，總想解決那些看似不能解決的問題。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)元對話的難題。這次他們充當(dāng)了翻譯者，將來自神經(jīng)元的信號翻譯成我們能夠聽得懂的語言。

人類通過聲音來進(jìn)行交流，而神經(jīng)元則是通過一種叫做“動作電位”（action potential）的電信號來進(jìn)行交流的。每個神經(jīng)元都會伸出很多根長長的突起（包括：軸突（axon）和樹突（dendrite）來和周圍的神經(jīng)元建立聯(lián)系。它們手拉手形成一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)來傳遞信號。電信號就在這些神經(jīng)元間的‘電纜’中進(jìn)行傳遞。

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

我們可以用電流計來測試電路中的電流，所以我們也想著用它來讀取神經(jīng)元中的電信號。這種通過記錄生物體電信號來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根本聽不到他們的聲音�；蛟S，當(dāng)神經(jīng)元們來個大合唱的時候，我們可以聽到點他們的旋律吧�？茖W(xué)家當(dāng)然也想到了這點，所以他們制作了合適的電極來記錄神經(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神經(jīng)元的電信號匯總在一起，呈現(xiàn)給人類。通過腦電圖，我們可以粗略知道大腦中神經(jīng)元們的呼聲。進(jìn)而為我們診斷腦部疾病，判斷大腦的活動狀態(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；因為，我們聽到的只是神經(jīng)元們的大合唱，我們還是沒法知道每個神經(jīng)元在說些什么。

為了將麥克風(fēng)交到每個神經(jīng)元的手上，科學(xué)家們進(jìn)行了無數(shù)實驗。最終，他們通過將一根細(xì)長的金屬電極插入動物腦中，實現(xiàn)了對一小群神經(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。通過這種方法，每個神經(jīng)元發(fā)放的動作電位都能被這根敏感的電極記錄下來。就如每個人都會有自己的語調(diào)一樣，每個神經(jīng)元也有自己獨特的動作電位。通過分析動作電位不同的形狀，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神經(jīng)元在說些什么，他們甚至能夠分析神經(jīng)元語言中的單詞、短語了。為何我們要對神經(jīng)元的語言進(jìn)行如此細(xì)致的研究呢？因為只有知道了一種語言的基本構(gòu)成，我們才能模仿他們說話，才能更為深入地了解他們的意思。神經(jīng)元的動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。成千上萬個離子通道開放和關(guān)閉，產(chǎn)生了無數(shù)微小的通道電流，這些通道電流會在某一時刻集中爆發(fā)，進(jìn)而形成動作電位。

當(dāng)然，想要聽清楚每個語音的發(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)元說話的影響。膜片鉗（patch clamp）技術(shù)就是一種能夠記錄單個神經(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)元的時候，我們輕輕地在玻璃電極中吸一口氣，神經(jīng)元就會被玻璃電極的尖端緊緊地吸住了。這樣我們不僅能夠通過電極來記錄這個神經(jīng)元的聲音，而且還能夠通過改變電壓來控制神經(jīng)元說話的語調(diào)，進(jìn)而讓神經(jīng)元說出某個短語。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離子通道電流

經(jīng)過科學(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)面對我們大腦中數(shù)億個神經(jīng)元發(fā)出的千奇百怪的聲音時，我們還是一臉的茫然。

大腦中每一個神經(jīng)元都是一個小小的精靈，他在神經(jīng)元的社會中扮演著不同的角色。我們試圖通過聆聽他們的對話來弄清楚每個神經(jīng)元的功能，但是他們的語言似乎太深奧難懂了，而我們跟他們對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)行對話，詢問他關(guān)于大腦的奧秘。

看來，科學(xué)家們不僅要成為一個翻譯者，還要成為一個破解密碼的特工了。如何將神經(jīng)元產(chǎn)生的動作電位中包含的信息讀取出來，如何將這些信息和神經(jīng)元的功能聯(lián)系起來，成為了科學(xué)家下一個急需解決的難題。我們相信：在不久的將來，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.

來源：中科院之聲 王飛