艾德·博伊登：神经的光控开关EdBoyden:Alightswitchforneurons
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花点时间回想你的一天你清晨醒来，走出房门的时候感受到清风拂过你的脸颊巧遇新的同事，与其谈天说地当你发现新事物时则心怀敬畏但我确定今天会有些你没有想到的事情--一些如此贴近生活的但你可能完全忽略的事情。其中包含的所有的感知能力，感情决策和行动都直接受控于在你头部的电脑叫做大脑的部分。
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大脑看可不像外表看起来那样--只是几磅桃灰色的肉块，非结晶的固体--但是经过上百年积淀的神经学让我们能进一步的研究大脑，并了解大脑的错综复杂。研究告诉我们大脑是由上千亿个神经元细胞组成的难以想象的复杂电路不同于人类设计的电脑那种由较少的不同元件组成的--我们了解它们如何工作，因为是我们人类设计出了它们--大脑由上千种不同的细胞组成也许是上万种它们分化成不同的形状；它们分泌出不同分子；它们延伸并连接大脑的不同地区。它们对于不同的疾病也表现出不同的方式。
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说的具体一点有一种细胞，一种较小的，抑制性细胞，能够抑制周围细胞。这是一种其萎缩能导致类似神经分裂症状的细胞这叫做篮细胞它是我们正在研究的成千上万种细胞中的一种每天都会有发现新型的细胞。第二个例子：这些锥体细胞，大型的细胞他们分布在大脑的很多部位它们易受刺激。其中的一部分细胞可能会因过度的活动而导致疾病类似癫症。这些细胞中每一个都是一个神奇的电子元件它们从上游细胞接收信息然后编辑出它们自己的输出信息，然后，如果这些信息通过了特定的界限，就会传递到下游上千个细胞那里。这个仅仅会花费一毫秒左右的时间的过程在你身上的每个1万亿个细胞中每分钟发生上千次，只要你活着思考着感受着。
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我们将如何解释这些回路的运作呢？主观上，我们能刺激这些回路把不同种细胞反复刺激看我们是否能了解哪种细胞作用于特定的功用哪种细胞出错会引起特定的病理如果我们能激活细胞，我们就能了解它们能释放哪种能量他们是如何启动和维持的.如果我们能把它们全部切断我们就可能弄清楚它们的必要性。这就是今天我要告诉大家的故事。老实说，我们试图寻找方法来控制大脑中的回路，细胞，部分的组织还有它的传输途径这不仅是对科学的探索，也是直面人类所面临的一些问题。
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在我告诉大家这项技术之前坏消息是我们之间的绝大数人如果你们活的够久远的话将会面临，也许，脑部疾病如今，10亿人已经患有某些脑部疾病阻碍它们生活虽然这数字无法准确的表现出其严重性这些疾病--精神分裂症，老年痴呆症抑郁症，成瘾症--它们不仅榨取我们的生命，而且篡改我们生存的意义它剥夺了我们的性格也改变了我们的情感--更改变了我们做人的本质如今在20世纪，通过治疗脑部疾病的制药业的发展浮现出的一些希望同时很多药物被研发出能减缓脑部疾病的症状实际上没有那种病被认为是能被治愈的其中一部分是因为，我们大脑浸泡在化学物质当中这复杂的回路由上千种不同类型的细胞组成正浸泡在液体当中这也是为什么，市面上大部分的药物，不全都会引起某些严重的副作用。
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如今有些人通过在大脑植入电击器来改善某些疾病。对于帕金森症耳蜗移植电击器的确能够带给患有一些特殊疾病的患者一些治疗效果但是电流还是会往四散开去--找软柿子捏（从阻碍最小的地方通过）这也是这句谚语的，部分的，出处电流不仅作用在我们需要修复的细胞还会影响到那些正常的回路再一次，我们绕回到了超精确控制的问题上我们是否能把信息精确的传输到我们想要地方？
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当11年前我开始研究神经科学我受训成为一个电学工程师和物理学家而且第一件我想到的事如果这些神经元是电子元件所有我们要做的是找到某些方法在一定距离控制电流的变化如果我们能刺激单独一个细胞而不牵涉它周边那就我们就有了能激活和关闭各种不同细胞的工具了解它们的作用和他们如何作用在它们位于的脑部网络同样这给了我们需要的超精确控制来修复出错的回路如今我们将怎么做呢？自然中有很多分子能够把光转化为电流你可以把它们看做小蛋白质像太阳能细胞如果我们能用某种方法把这些分子注入到神经元中这些神经元就能转型成光控的电子元件那些周边的细胞，那些没有接受分子的，就不会转型另外还有一个你需要知道的小窍门，就是把光注入脑中。这么做--大脑不会感知到痛苦--你能--充分利用脑中类似互联网和沟通的功能--把光纤连接到激光束中以此来激活，比如说动物的细胞在潜伏期的研究中要了解这些神经元的功用
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那我们应该怎么做呢？大概在年在与格哈德·内格尔和卡尔·戴斯洛合作的时候假想得到了最终的成功自然界中有一种特定的海藻它就有趋光性来达到最理想的光合效果它用一个小眼点来感知光线但其工作原理和人眼大相径庭在它的细胞膜，或者它的边界含有少量的蛋白质能把光转化为电流这些分子被叫做槽型视紫质（TRB）这种蛋白质就像我告诉过你们的太阳能细胞那样运作当蓝光照射时，它会打开一个小口允许带点的微粒进入眼点中这样眼点就有了电信号就像是用太阳能细胞给电池充电一般
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我们需要做的就是提取这些分子然后用某种方法注入到神经元中同时因为这是蛋白质由生物的DNA编码而成所以我们所要做的就是提取DNA注入到基因载体上，比如病毒然后把病毒注入到神经元中结果证明基因载体是一个很直接的方法病毒长驱直入证实了操作的简易性在年夏天的一个早晨我们实物操作了一番，第一次尝试有了起效你提取出DNA并注入到神经元中神经元用它自身的蛋白质合成器来组装出这些小型的光敏蛋白质并使其分不到细胞各处就像在顶层架设太阳能板接下去你就有了个光敏的神经元这是个很有效的工具
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你要做的步骤就是设法把这些基因注入到你需要的细胞内而不是其他周边的细胞你可以完成；你能转变这些病毒让它们只针对一些细胞而涉及到其他细胞还有其他基因方式能得到这种光敏细胞如今这领域叫做光遗传学举个例子来说明你要做的，你可以在一个复杂的网络系统利用一种病毒来传递这种基因在密集的细胞区域只针对一种细胞接着当你照射整个区域的时候只有那些特定的细胞被激活
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比如说，用篮细胞来做例子会更简单一点就是那种萎缩导致精神分裂有抑制作用的细胞如果我们能把基因注入到这些细胞中--而且他们不会引起基因的表现型有所改变--接着用蓝光照射整个脑组织只有蓝细胞会被激活而当无光线的时候，这些细胞就变回普通的细胞没有产生不良的后果不仅你能了解到这些细胞的功用在大脑运作中它们的能效而且你也能尝试解决--也许我们可以激活这些细胞的活性，如果它们真的萎缩的话。
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现在我想告诉你一些小故事关于我们怎么利用这技术的,在科学，临床阶段和临床前阶段的研究。在我们遭遇到的问题中有一个是，大脑用什么样的信号来代表奖励的感觉呢？因为如果我们找到的话那能够驱使细胞学习的信号大脑就会为了奖励竭尽全力同时也是这些出错的信号引起疾病类似成瘾症如果我们能够知道是哪些细胞的话我们可能就有新的靶细胞来专门设计或者挑选药物来对抗疾病或者找到植入电击器的位置来帮助那些有着严重残疾的病人为了做到这些，我们想出了一个简单的例子在菲奥雷拉集团的协助下在盒子的一边如果动物经过这里，就会被光波照射到来区别不同细胞对光的感应能力.那如果这些细胞是识别为被奖励的那动物就会多次的经过那里这就是大致的经过
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动物会向右转并用鼻子顶那块地方每次它做这个动作就会有一道蓝光照射那它就会为此重复千上百次这些是多巴胺神经元你们中的一些可能可能听说过它在大脑的快感中枢某处现在我们所展示的简短的步骤就足够，确定的，来诱导学习行为如今我们概括出大致的观点不是大脑中的某一点我们可以发明一些能够桥接大脑的设备来把光照射成三维的模式--利用光纤的巧妙排列每个光纤都有自身独立的微型光源.接着我们在生物体上试验测试那些已经在培养皿中完成的实验--就像是给整个大脑做了高速的扫描一般来确定特定的信号会触发哪些特定的事情或者它们会成为临床上很好的治疗脑部疾病的新目标
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另外一件我想说的事是我们如何寻找靶细胞来治疗创伤后应激障碍--这是一种不受控制的焦虑恐慌的症候群我们要做的一件事接受一个经典的恐怖模式那就回到了巴甫洛夫的时代也被称作巴甫洛夫恐惧条件反射在响声后的短暂电击电极并不疼痛，但是有点烦人久而久之--这里的例子，老鼠是一个很好的动物典型，在试验中广泛使用--动物学会去害怕响声会表现出呆滞的反应有点像鹿被车灯照射后的反应一样如今的问题是，大脑中哪些目标位置能让我们克服这种恐惧？我们所做的就是再一次播放那当已经和恐惧联系起来的响声但是我们激活大脑中的靶细胞，每次不同的位置利用光纤阵列来演示出之前那样的图片来尝试找出能让大脑克服恐惧记忆的靶细胞
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这简短的录像展示给大家一些我们正在研究的几个靶细胞这是前额皮层的一部分一块能让我们用感知来尝试克服厌恶情绪的区域动物将听到同样的响声--以及一束光线光线不伴随声音，但是你也能看到动物呆滞的反应这声响意味着坏的消息在左下角有个小型的闹钟你能看到老鼠用了大约两分钟僵立在那里下一个片段是八分钟之后同样的响声，和相同的光线再一次的出现好，开始了，就现在正如你所见，只用了10分钟的实验我们就用光激活了大脑的这部分区域来克服恐惧记忆的表现行为
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近几年里，我们正回溯本源因为我们想找到控制大脑的方法如果我们能够控制的话，那就可能是极具影响的如果让细胞失效就算几毫秒或者几秒的话就能了解到它们所在位置的脑电路所扮演的本质的角色如今我们已经调查了生物界所有的生物--所有生物除了动物，我们并没有发现太大的差异。我们发现了各种各样的分子，被命名为感光紫红蛋白或者远古感光蛋白会对绿色和黄色光线作出反应它们的反应是与之前我所提到的蓝光活性槽型视紫质的反应恰恰相反
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举个例子来说明具体的情况比如说癫痫这个症状起因是大脑过度活跃如果癫痫药物治疗失败其他一种方法就是移除那部分大脑但是这显然是不可逆的过程，而且会引起副作用那如果我们让那部分大脑休眠一会儿知道症状全部消失再让大脑恢复到原来的阶段--就好像把一个活跃的系统诱骗到一个稳定的系统一样这动画只是为了解释我们能利用光源来控制脑细胞这个概念当我们用光照射时照射的时间也仅仅是能够刚好让症状消除我们希望实验能够成功暂时我们还没有这方面的实验数据展示给大家但是我们对此充满期待
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现在我想用一个故事来结束我的演讲我们认为此技术能有其他用途---如果能超精确控制这些感光蛋白能够在脑中形成一个新型的假肢，光学的价值我曾说过，电击器并不普遍如今只有位帕金森病人植入了脑部电击器大约10万人在耳蜗中植入电击器通过这样来恢复他们的听觉另一件事，就是你要让这些基因细胞移植入细胞中基因治疗的新希望也就此诞生了因为像腺类病毒这类病毒可能我们大多数都有携带但它不会引发任何症状它已经在上百名病人体内应用治疗来转送基因进入大脑或者身体内目前为止，还有没有因为此病毒而引起任何严重不良反应的报告
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还有最后一点要重视的大隐患，就是蛋白质其本身那些来自于藻类，细菌以及真菌以及来自生物界的各种蛋白质我们大多数脑子没有真菌或者藻类的存在那如果我们把它们放入脑中会怎么样呢？我们大脑是否会排斥它？免疫系统是否会反应？早期的时候--我们并没有在人体里做实验--但是我们做了其他各种研究来评估这方法目前为止，我们还没有因这些分子或者因光照大脑而产生的严重不良反应这还是初步的研究，就算如此，我们很激动
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我想用一个故事来结束我的演讲我们认为这有可能成为一种临床的疗法失明有很多种类大多关于我们的眼球内部的光受体的损害。我们的视网膜是个很复杂的结构我们来放大，仔细研究一下照片中的感光受体在顶部被感光受体接收到的光信号经过各种转化最终从上而下，从神经节细胞传输信息到大脑出以此来获得视觉很多种类的失明，比如色素性视网膜炎或者黄斑部变性感光细胞是萎缩或者有损伤的那我们如何才能修复呢？还没有证据证明药物可以对治疗这些疾病因为还没有针对的特效药但是，光还是能进入眼球的眼球还是通透的，你也能看到光线能够进入所以，如果我们能把这些单细胞感光紫红质蛋白和其他分子注入到那些正常的细胞中把它们转化为一台台小的摄像机因为眼球内部有很多细胞有可能，他们会成为高清的相机
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这就是我们所在做的我们合作人之一艾伦·霍斯葛也正在美国卫生研究所的资助下将其技术商业化运作现在你所看到的是一个走迷宫的老鼠这是六臂的迷宫，迷宫中有些许水来刺激老鼠移动，否则它只会呆在某处当然，这迷宫的目的是为了让水流入一个顶光源的平台老鼠很聪明，最终走出了这迷宫但是这是靠蛮力解决的它游过了每条分支最终才找到了平台所以它没有利用视觉来解决这问题这些老鼠有着不一样的突变基因各自代表着人类不用种类的失明症状所以我们有很小心的探索不同种类的失明情况下找出一个普遍的解决方法
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那我们如何解决呢？我们就完全按照之前片子里讲的那样把蓝光感光蛋白注入到眼球最后方的视网膜的一层细胞上把它们转化为一台台相机就好像这些神经元上布满了太阳能细胞一样让它们接受光信号并把光信号转化为电信号这老鼠实验前几周就瞎了只接受过一次携带有感光受体分子的病毒注射你现在可以看到，老鼠能够避开墙壁找到有亮光的平台视觉得到了恢复为了指出其中的意义：这些动物走到平台的时间和那些没有瞎的东西用时是一样的虽然还处于临床前阶段但是我认为这是个好兆头未来我们希望我们能够成功
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最后，我想指出我们正研究的一种针对神经科学这新领域的商业模式我们发明了这些工具但是我们愿意和全世界的人共同分享这样人们才能进一步研究并尝试治疗其他各种疾病我们希望，通过了解大脑的神经网络通过某种程度的手术，能让我们修复并设计神经网络我们会继续研究我之前讲过的几种疾病特别是那几种从未被治愈过的他们在21世纪将会成为历史
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谢谢
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（掌声）
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JuanEnriquez(JE)：您的演讲有些深奥啊。（笑声）但是利用光来控制癫痫或者抽搐而不是用药物还要能够精确地控制靶细胞是第一步。据我所听到的，第二步是用两种色彩的光来控制大脑就好像开关一样
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艾德·博伊登(EB):没错.
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JE：这让每个大脑中的神经冲动变成二进制的代码
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EB：是的当蓝灯亮起时，我们能传输信息。就类似于代码1等光关闭了，就类似代码0我们的希望是最终建造一个大脑协同处理器来和大脑一起运作以此来帮助那些有残疾的人
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那就是理论上，这代表着老鼠的感觉，嗅觉听觉和触觉你都能把它整合到一串0和1
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EB：的确是这样的。我们希望通过这种测试来确定哪种神经代码代表着哪种行为举止或者是想法或者感受通过这样来更多的了解大脑
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JE：这是不是意味着某天你能下载记忆或者上传记忆呢？
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EB：我们着手的某些工作是很复杂的我们还在继续的研究我们也在尝试去标记下这个大脑记录数据我们就能记录信息，并把信息传输回大脑--类似于了解什么是大脑所需的来增强它的信息处理效率.
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JE:嗯，这会改变我的世界的。谢谢!(EB:谢谢.)
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（掌声）
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