除非我們弄清楚如何在健康人體中獲得神經(jīng)元的電活動(dòng)，否則不會(huì)在理解人類(lèi)大腦或疾病方面取得任何進(jìn)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.

演講實(shí)錄

我想跟你們聊一些關(guān)于神經(jīng)科學(xué)的事情。我是一名物理學(xué)家。大約三年前，我從物理學(xué)轉(zhuǎn)到研究大腦如何工作。我有一些發(fā)現(xiàn)。很多人都在研究抑郁癥。這真的很好，抑郁癥是我們真正想要理解的東西。

這是我們的研究方法：拿著一個(gè)罐子，用水把它裝滿，大約一半。然后你拿一只老鼠，把老鼠放進(jìn)罐子里。好。老鼠游動(dòng)了一會(huì)兒，然后在某個(gè)時(shí)候，它變得累了并決定停止游泳。當(dāng)它停止游泳時(shí)，那就是抑郁癥。好嗎？我學(xué)過(guò)理論物理學(xué)，我習(xí)慣了用非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來(lái)精確描述物理現(xiàn)象，所以當(dāng)我看到這是抑郁癥的模型時(shí)，我對(duì)自己說(shuō)：“哦，我的上帝，我們有很多工作要做。”

但這是神經(jīng)科學(xué)面臨的一個(gè)普遍問(wèn)題。例如，采集情緒。很多人都想理解情緒。但你不能研究老鼠或猴子的情緒，因?yàn)槟悴荒軉?wèn)它們是什么感覺(jué)或經(jīng)歷。因此，相反，那些想要理解情緒的人通常最終會(huì)研究所謂的動(dòng)機(jī)行為，比如“老鼠想要奶酪時(shí)會(huì)做什么”。好吧，我可以繼續(xù)。我的意思是，重點(diǎn)是，NIH每年花費(fèi)大約55億美元用于神經(jīng)科學(xué)研究。然而，在過(guò)去的40年中，腦部疾病患者的預(yù)后幾乎沒(méi)有顯著改善。我認(rèn)為其中很大一部分主要是由于老鼠可以作為癌癥或糖尿病的模型，但老鼠大腦不足以代表人類(lèi)心理或人類(lèi)腦部疾病。

那么，如果老鼠模型如此糟糕，我們?yōu)槭裁催€在使用它們？嗯，大腦由神經(jīng)元組成，神經(jīng)元是這些小細(xì)胞，它們將電信號(hào)發(fā)送給彼此。如果你想了解大腦如何工作，你必須能夠測(cè)量這些神經(jīng)元的電活動(dòng)。但要做到這一點(diǎn)，你必須用某種電記錄裝置或顯微鏡去真正接近神經(jīng)元。所以你可以在老鼠身上做到這一點(diǎn)，你可以在猴子身上做到這一點(diǎn)，因?yàn)槟憧梢詫⑽矬w放入它們的大腦，但由于某些原因，我們?nèi)匀粺o(wú)法在人類(lèi)身上做到這一點(diǎn)。

所以，我們就發(fā)明了替代方法。最受歡迎的可能是功能性核磁共振成像（fMRI），它可以制作這些漂亮的圖片，顯示當(dāng)你從事不同的活動(dòng)時(shí)，大腦的哪些部位會(huì)發(fā)光。但這是一種替代。你不是在測(cè)量神經(jīng)活動(dòng)。你所做的就是測(cè)量大腦中的血流量。哪里有更多的血，實(shí)際上是那里有更多的氧氣，你明白了？

你可以做的另一件事是——腦電圖——你可以把這些電極放在頭上。然后你可以測(cè)量腦電波。這樣子，你實(shí)際上是在測(cè)量電活動(dòng)。但你不能測(cè)量神經(jīng)元的活動(dòng)。你在測(cè)量這些電流，在你的大腦中來(lái)回?cái)[動(dòng)。所以重點(diǎn)是，我們所擁有的這些技術(shù)在測(cè)量其實(shí)是錯(cuò)誤的東西。

因?yàn)椋瑢?duì)于大多數(shù)我們想了解的疾病——比如，帕金森病就是一個(gè)典型的例子。在帕金森病中，大腦深處有一種特殊的神經(jīng)元是導(dǎo)致這種疾病的原因，而現(xiàn)在技術(shù)并沒(méi)有你需要的解決方案。所以我們還是只能?chē)@著動(dòng)物。不是說(shuō)所有人都想把老鼠放進(jìn)罐子里研究抑郁癥，對(duì)吧？只是有這樣一種普遍的意識(shí)——不可能看到健康人的神經(jīng)元活動(dòng)。

所以這就是我想要做的。我想帶你進(jìn)入未來(lái)?？纯次艺J(rèn)為有可能的一種方式。我想說(shuō)，我沒(méi)有全部的細(xì)節(jié)。我只是想給你們提供一個(gè)方向。但我們要去到2100年。2100年是什么樣子？好吧，首先，氣候比你習(xí)慣的更暖。

你所認(rèn)識(shí)和喜歡的機(jī)器人吸塵器經(jīng)歷了幾代，改進(jìn)并不總是那么好。

這并不總是更好。但實(shí)際上，在2100年，大多數(shù)事情都令人驚訝地被識(shí)別出來(lái)。只是大腦完全不同。例如，在2100年，我們了解阿茲海默病的根源。所以我們可以提供有針對(duì)性的基因療法或藥物在退化過(guò)程開(kāi)始之前阻止退化。我們是怎么做到的？嗯，基本上有三個(gè)步驟。第一步是我們必須想出一些方法來(lái)通過(guò)頭骨獲得電連接，以便測(cè)量神經(jīng)元的電活動(dòng)。不僅如此，它還必須簡(jiǎn)單和無(wú)風(fēng)險(xiǎn)?；旧厦總€(gè)人都可以接受，比如穿刺?；氐?017年，我們已知的穿過(guò)頭骨的唯一方法就是鉆一個(gè)二十五美分硬幣大小的洞。你不會(huì)想讓別人這么對(duì)你的。

所以在2020年代，人們開(kāi)始嘗試不要鉆這些巨大的洞，而是鉆微小的孔，比一根頭發(fā)更小。這個(gè)想法實(shí)際上是為了診斷——在診斷大腦疾病的很多時(shí)候，我們想要能夠看到頭骨下面的神經(jīng)活動(dòng)，鉆這些微孔對(duì)患者而言更加容易。最后，這就像打針。你只要進(jìn)去，坐下來(lái)，有一件東西落在頭上，一個(gè)瞬間的刺痛，然后就完成了，你可以回到正常的一天。所以我們最終可以用激光來(lái)鉆孔。激光的速度非常快，而且非常可靠，你甚至無(wú)法分辨出這些洞在哪里，就像你不能夠分辨出一根頭發(fā)不見(jiàn)了。我知道這聽(tīng)起來(lái)可能很瘋狂，使用激光在你的頭骨上鉆孔，但在2017年，人們可以接受外科醫(yī)生將激光射入他們的眼睛進(jìn)行矯正手術(shù)，所以我們已經(jīng)這么做了，這不是什么大顛覆。

所以下一步，發(fā)生在2030年代，不僅僅是穿過(guò)頭骨。為了測(cè)量神經(jīng)元的活動(dòng)，你必須真正進(jìn)入腦組織本身。而且，無(wú)論什么時(shí)候?qū)⒛承〇|西放入腦組織時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)基本上就是中風(fēng)。這些異物會(huì)導(dǎo)致血管爆裂，引發(fā)中風(fēng)。所以，到了2030年代中期，我們發(fā)明了能夠圍繞血管而不是穿過(guò)它們的柔性探針。因此，我們可以將這些探針?lè)湃牖颊叩拇竽X中，并記錄數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，而不會(huì)對(duì)人體造成任何風(fēng)險(xiǎn)。我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，可以識(shí)別的神經(jīng)元對(duì)想法或情緒等事情沒(méi)有反應(yīng)，這是我們所期望的。它們主要是對(duì)Jennifer Aniston，Halle Berry或Justin Trudeau等人有反應(yīng)。

我的意思是，事后看來(lái)，我們不該那么驚訝。我是說(shuō)，你的神經(jīng)元大部分時(shí)間都在想什么？

但實(shí)際上，關(guān)鍵是這項(xiàng)技術(shù)使我們能夠開(kāi)始研究個(gè)體的神經(jīng)科學(xué)。就像向遺傳學(xué)轉(zhuǎn)變到單細(xì)胞水平上一樣，我們開(kāi)始在單一的人體水平上研究神經(jīng)科學(xué)。

但我們還沒(méi)有到那一步。因?yàn)檫@些技術(shù)仍然局限于醫(yī)療應(yīng)用，這意味著我們正在研究病態(tài)的大腦，而不是健康的大腦。因?yàn)闊o(wú)論技術(shù)有多安全，你都不能為了研究目的而把某些東西放進(jìn)某人的大腦中。人們必須自愿這么做。他們?yōu)槭裁丛敢?？因?yàn)橹灰闩c大腦有電連接，你就可以用它將大腦連接到電腦上。哦，好吧，你知道，公眾一開(kāi)始會(huì)很懷疑。我是說(shuō)，誰(shuí)想把自己的大腦和電腦聯(lián)系起來(lái)？

那么想象一下，能夠用意念發(fā)送一封電子郵件。想象一下你能用眼睛拍照。想象一下，你永遠(yuǎn)不會(huì)忘記任何事情，因?yàn)槿魏文氵x擇記住的東西都會(huì)永久存儲(chǔ)在某個(gè)硬盤(pán)上，可以隨時(shí)回憶。

瘋狂和夢(mèng)想之間的界限從來(lái)就不是很清晰。但這個(gè)系統(tǒng)是安全的。因此，當(dāng)FDA決定放松對(duì)這些激光鉆孔系統(tǒng)的監(jiān)管，在2043年，商業(yè)需求剛剛爆炸式增長(zhǎng)。人們開(kāi)始這樣回電子郵件：“請(qǐng)?jiān)徣魏五e(cuò)別字。這是我的大腦發(fā)的?！?/p>

商業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)，提供最新和最大的神經(jīng)接口技術(shù)。有100個(gè)電極。一千個(gè)電極。每個(gè)月只有99.99高帶寬。

很快，每個(gè)人都會(huì)擁有（這套系統(tǒng)）。這是關(guān)鍵。因?yàn)椋?050年代，如果你是一名神經(jīng)科學(xué)家，可能會(huì)有人從街上進(jìn)入你的實(shí)驗(yàn)室。你可以讓他們從事一些情緒任務(wù)、社交行為或抽象推理，這些事情你永遠(yuǎn)無(wú)法在老鼠身上研究。你可以通過(guò)他們已有的接口記錄神經(jīng)元的活動(dòng)，也可以問(wèn)他們正在經(jīng)歷什么。所以你永遠(yuǎn)無(wú)法在動(dòng)物身上獲得的心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)之間的這種聯(lián)系，突然間就出現(xiàn)了。

所以，也許經(jīng)典的案例是發(fā)現(xiàn)了洞察力的神經(jīng)基礎(chǔ)。那“啊哈！”一瞬間，所有這一切都連在一起，閃光時(shí)刻。這是由兩位科學(xué)家在2055年發(fā)現(xiàn)的，Barry和Late在背側(cè)前額葉皮質(zhì)中觀察到，在試圖理解某個(gè)想法的人的大腦內(nèi)部，不同的神經(jīng)元群會(huì)如何重組——你在這里看到的橙色代表神經(jīng)活動(dòng)——最終這些活動(dòng)排列組合形成正反饋。然后形成了理解。

最后，我們能夠了解使我們成為人類(lèi)的東西。這就是真正為醫(yī)學(xué)提供重要見(jiàn)解的途徑。因?yàn)閺?060年代開(kāi)始，能夠記錄這些不同精神疾病患者大腦中的神經(jīng)活動(dòng)，而不是像本世紀(jì)初那樣根據(jù)癥狀定義疾病，根據(jù)我們?cè)谏窠?jīng)層面觀察到的實(shí)際病理來(lái)定義它們。舉個(gè)例子，就多動(dòng)癥（ADHD）而言，我們發(fā)現(xiàn)有幾十種不同的ADHD，都在本世紀(jì)初被稱(chēng)為多動(dòng)癥，其實(shí)它們彼此沒(méi)有任何關(guān)系，只是有類(lèi)似的癥狀。它們需要以不同的方式解決。回想起來(lái)，這有點(diǎn)令人難以置信，在本世紀(jì)初，我們一直在用相同的藥物治療所有這些不同的疾病，只是給人們安非他明，基本上就是我們正在做的。精神分裂癥和抑郁癥也是這樣的。因此，我們不再像現(xiàn)在一樣隨機(jī)開(kāi)藥，而是學(xué)會(huì)了如何預(yù)測(cè)哪些藥物在哪些患者中最有效，這使得結(jié)果產(chǎn)生巨大改善。

好吧，我現(xiàn)在想帶你回到2017年。其中一些聽(tīng)起來(lái)很諷刺，甚至有點(diǎn)牽強(qiáng)。有一些確實(shí)是這樣。我的意思是，我無(wú)法預(yù)知未來(lái)。我不知道30年后我們是否會(huì)在腦袋里鉆成百上千個(gè)微孔。但我可以告訴你們的是，除非我們弄清楚如何在健康人體中獲得神經(jīng)元的電活動(dòng)，否則我們不會(huì)在理解人類(lèi)大腦或人類(lèi)疾病方面取得任何進(jìn)展。今天幾乎沒(méi)有人正在研究如何做到這一點(diǎn)。這就是神經(jīng)科學(xué)的未來(lái)。我認(rèn)為現(xiàn)在已經(jīng)到了神經(jīng)科學(xué)家放下老鼠大腦，并且投入必要的精力和資金來(lái)了解人類(lèi)大腦和人類(lèi)疾病的時(shí)候了。

謝謝。

▲Sam Rodriques是麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系博士，他設(shè)計(jì)了一種新的納米工程技術(shù)和用血流探針檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)的新方法，旨在了解大腦細(xì)胞的空間組織和神經(jīng)元隨時(shí)間的轉(zhuǎn)錄活性。

注：圖片來(lái)源TED視頻