科普图文首页>科普>科普图文

聆听大脑的神秘电波——电生理记录方法探秘

副标题:

时间:2016-06-20  来源:文本大小:【 |  | 】  【打印

  当我们深处异地他乡时,难免要学会几句方言或者外语才能够和当地的人进行交流。好在语言不通时,我们可以通过手势,或者图画来表明意思。但是,如果我们进入了大脑,如何跟这里的主人---神经元(neuron)进行交流呢?这群精灵可能要比外星人更加聪明,当然也比外星人更加诡秘。他们虽然就位于我们每个人的大脑中,但却好似来自遥远的世界;我们从未相识。那么,我们能够听懂神经元发出的信号吗,如何跟这群来自于体内的‘外星生物’进行交流呢?这似乎是个难题。  

 

图1 大脑中的神经元,不同颜色标记不同类型的神经元 

  科学家们常称自己为探险者;因为他们总在探索世界上的未知。他们也是挑战者,总想解决那些看似不能解决的问题。带着这些身份,他们进入了大脑这片神秘之地,试图解决如何跟神经元对话的难题。这次他们充当了翻译者,将来自神经元的信号翻译成我们能够听得懂的语言。 

  人类通过声音来进行交流,而神经元则是通过一种叫做“动作电位”(action potential)的电信号来进行交流的。每个神经元都会伸出很多根长长的突起(包括:轴突(axon)和树突(dendrite))来和周围的神经元建立联系。它们手拉手形成一个复杂的网络来传递信号。电信号就在这些神经元间的‘电缆’中进行传递。 

 

图2 视网膜中的一个神经元,动作电位在轴突和树突间传递 

  我们可以用电流计来测试电路中的电流,所以我们也想着用它来读取神经元中的电信号。这种通过记录生物体电信号来研究生物功能的技术,称为电生理(electrophysiology)技术。但是,神经元实在太小了,他发出呐喊的声音也太微弱了,我们用普通的电流计根本听不到他们的声音。或许,当神经元们来个大合唱的时候,我们可以听到点他们的旋律吧。科学家当然也想到了这点,所以他们制作了合适的电极来记录神经元群体的反应。脑电图(EEG)就是在脑袋头皮上安装很多根金属电极,这些电极可以将脑中多个神经元的电信号汇总在一起,呈现给人类。通过脑电图,我们可以粗略知道大脑中神经元们的呼声。进而为我们诊断脑部疾病,判断大脑的活动状态提供依据。 

 

图3 脑电图装置和记录到的脑电波 

  但是,这还不足以让我们和神经元进行更为深入的交流;因为,我们听到的只是神经元们的大合唱,我们还是没法知道每个神经元在说些什么。 

  为了将麦克风交到每个神经元的手上,科学家们进行了无数实验。最终,他们通过将一根细长的金属电极插入动物脑中,实现了对一小群神经元的聆听。胞外记录(extracelluar recording)就是一种在细胞外记录群体神经元反应的记录方法。通过这种方法,每个神经元发放的动作电位都能被这根敏感的电极记录下来。就如每个人都会有自己的语调一样,每个神经元也有自己独特的动作电位。通过分析动作电位不同的形状,我们就可以区分出不同神经元发出的不同声音了。有些神经元是寡言的智者,他们只在关键的时刻,发表自己决定性的意见。而有一些神经元,像是滔滔不绝的歌唱者,他们总是在发放着动作电位,为气氛的衬托贡献着自己的力量。   

 

图4 胞外金属电极记录到神经元发出的动作电位,不同的神经元发放模式不同 

  现在,科学家们不仅能知道每个神经元在说些什么,他们甚至能够分析神经元语言中的单词、短语了。为何我们要对神经元的语言进行如此细致的研究呢?因为只有知道了一种语言的基本构成,我们才能模仿他们说话,才能更为深入的了解他们的意思。神经元的动作电位就是由多种离子通道电流(ion channel current)构成的。离子通道是神经元细胞膜上的组成成分。成千上万个离子通道开放和关闭,产生了无数微小的通道电流,这些通道电流会在某一时刻集中爆发,进而形成动作电位。 

  当然,想要听清楚每个语音的发声,我们必须十分靠近神经元,而且不能受到其他神经元说话的影响。膜片钳(patch clamp)技术就是一种能够记录单个神经元离子通道电流的电生理技术。这次科学家们发明了一种能够紧紧抓住神经元的玻璃微电极(glass microelectrode)。当玻璃微电极靠近神经元的时候,我们轻轻地在玻璃电极中吸一口气,神经元就会被玻璃电极的尖端紧紧地吸住了。这样我们不仅能够通过电极来记录这个神经元的声音,而且还能够通过改变电压来控制神经元说话的语调,进而让神经元说出某个短语。这样我们就记录到了某种离子通道的电流。 

 

图5 膜片钳工作示意图和记录到的单个离子通道电流 

  经过科学家们数百年的不懈努力,我们已经能够初步了解神经元之间沟通的基本方式;但是,当面对我们大脑中数亿个神经元发出的千奇百怪的声音时,我们还是一脸的茫然。 

  大脑中每一个神经元都是一个小小的精灵,他在神经元的社会中扮演着不同的角色。我们试图通过聆听他们的对话来弄清楚每个神经元的功能,但是他们的语言似乎太深奥难懂了,而我们跟他们对话的方式也太浅显了。至今为止,我们还是不能够很流利的跟神经元进行对话,询问他关于大脑的奥秘。 

  看来,科学家们不仅要成为一个翻译者,还要成为一个破解密码的特工了。如何将神经元产生的动作电位中包含的信息读取出来,如何将这些信息和神经元的功能联系起来,成为了科学家下一个急需解决的难题。我们相信:在不久的将来,随着技术的发展,我们将可以和神经元进行更加面对面的交谈。

   (作者:中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所 王飞博士) 

    

  参考文献 

  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. 

       

相关附件
相关文档
2014 中国科学院上海生命科学研究院 版权所有
地址:上海岳阳路320号 邮编:200031 电话:86-21-54920000 传真:86-21-54920078
电子信箱:webmaster@sibs.ac.cn