揭開大腦神秘面紗

　　據(jù)美國生活科學網(wǎng)報道，預(yù)計在2011年將有9項重大的科學突破，其中一項就是大腦神經(jīng)元技術(shù)的突破。這些新的大腦神經(jīng)元技術(shù)能夠使我們更深入地了解大腦，最終促進人類的大腦發(fā)育和智力開發(fā)，并有助于一些患腦神經(jīng)元疾病患者身體的康復(fù)。
　　
　　可長期觀察活體大腦神經(jīng)元的新技術(shù)
　　
　　人腦的重量雖然只占人體重的3%左右，但這個小小的器官卻是宇宙中最復(fù)雜和最神秘的東西。腦的基本構(gòu)成單位是神經(jīng)細胞(神經(jīng)元)和膠質(zhì)細胞。
　　20世紀90年代，人們開始重視腦科學研究中整合性觀點的重要性。這樣，需要創(chuàng)建更多的腦神經(jīng)元研究技術(shù)，通過這些技術(shù)人們將不斷揭示新的神經(jīng)調(diào)制方式，更完整地認識神經(jīng)系統(tǒng)如何控制其自身特性方式的多樣性。
　　要研究腦神經(jīng)元，必須長期地觀察研究者感興趣的腦深部的活神經(jīng)元，要做到此點并不是容易的事。傳統(tǒng)的光學顯微鏡只能穿透腦組織的最外層，無法觀察任何深于700微米的大腦區(qū)域。采用磁共振掃描技術(shù)雖然能夠觀察到大腦的深部，但只能觀察較大區(qū)域的變化，而無法精確地考察單個細胞的情況。而且，采用這些方法無法觀察研究者感興趣的神經(jīng)元長期的變化：今天實驗觀察的神經(jīng)元，明天在觀察時就很難找到，即使找到了也可能被損壞或者被感染，這樣就無法達到研究的目的。
　　現(xiàn)在，美國斯坦福大學的科學家設(shè)計出了一種新方法，該方法不僅能使研究者觀察到大腦深處內(nèi)部的神經(jīng)元，而且還可幫助他們進行長期地、持續(xù)地觀察。他們在白鼠中進行了這項實驗：研究人員先將直徑大約半厘米的微小玻璃管插入一只麻醉白鼠的大腦深處，然后將玻璃管固定在顱骨上，腦與外部隔絕，可以防止腦受到感染。當研究者想觀察植入點位置的細胞以及細胞的相互作用時，他們就將一種被稱為“微型內(nèi)窺鏡”的光學設(shè)備插入玻璃導(dǎo)管中。在導(dǎo)管的末端有一個玻璃窗口，通過這個窗口科學家能夠在幾個星期或者幾個月內(nèi)多次觀察同一個位置大腦神經(jīng)元精細分支的情況。
　　
　　可達大腦神經(jīng)元的納米電纜
　　
　　觀察大腦神經(jīng)元活動最直接的方法是將鉑金屬做的電極直接插入神經(jīng)元，由于電極較粗，要插入一個神經(jīng)元也很困難，而且對神經(jīng)元是一種損傷，也無法達到同時觀察一組神經(jīng)元活動的目的?？茖W家曾設(shè)想把許多納米電纜組成的陣列穿入人體血管，并借血管運輸?shù)酱竽X。一旦納米電纜進入人體大腦，他們就會分散為花束狀的分支，進入大腦微血管，直到進入指定的地點，記錄單個大腦神經(jīng)元或許多神經(jīng)元的集合電訊號?，F(xiàn)在科學家聲稱已經(jīng)有能力制造出比人類最微細的血管還細的納米電纜。這就意味著，科學家可以使納米電纜在人體血管中任意穿行，達到任何指定的地點，而不會阻礙血管中正常的血液、氧氣與營養(yǎng)流動。一個由美國和日本科學家組成的研究小組進行了一項實驗，他們把人發(fā)絲百分之一的鉑金屬納米電纜植入血管中并到達指定地點后，成功檢測到血管附近的神經(jīng)元活動。
　　如果此項技術(shù)最終獲得成功，將對研究人類大腦的醫(yī)學家提供極大幫助，科學家可以更清楚地了解人類大腦神經(jīng)元之間的相互作用，而且這種方式對人體毫無害處。同時，它也可以發(fā)現(xiàn)大腦中受損或異常區(qū)域，這些納米電纜可以向這些細胞發(fā)出訊號，治療帕金森綜合癥等疾病。目前急需解決的問題之一就是，如何使納米電纜準確地從數(shù)千條微細血管中找到指定的路徑。其中一個解決的辦法就是使用新型的聚合材料來代替原有的納米電纜，這種聚合材料不但可以傳導(dǎo)電訊號，而且可以任意改變形狀，還可以做得更細更小，同時，它屬于可降解生物材料，十分適合短期人體植入。
　　
　　繪制大腦神經(jīng)連接的“布線圖”
　　
　　人類大腦是世間最復(fù)雜的實體，神經(jīng)元以及神經(jīng)元之間的突觸連接是大腦執(zhí)行功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，位于大腦不同部位的神經(jīng)元往往執(zhí)行不同的功能。為了研究大腦組織，研究人員迫切需要一個詳細的圖譜來指導(dǎo)研究。科學家希望通過繪制出這些線路，并弄清其發(fā)揮功能的方式，了解大腦產(chǎn)生認知、感覺以及思想的過程和機理，進而為阿爾茨海默病、精神分裂癥以及中風等疾病的治療提供幫助，使揭開大腦之謎、開發(fā)出計算機大腦模型的夢想離現(xiàn)實更近一步。但是，繪制突觸連接是一項非常復(fù)雜、艱巨和長期的任務(wù)。
　　來自倫敦大學的研究人員研發(fā)了一種新型技術(shù)，通過使用一種高分辨率的成像裝置實現(xiàn)了這一目的，并繪制出了小鼠視覺皮層的部分神經(jīng)連接的“布線圖”。他們將注意力集中在了具有數(shù)千個神經(jīng)元和數(shù)百萬個不同連接的小鼠視覺皮層。研究人員首先利用高分辨率成像技術(shù)探測小鼠大腦視覺皮質(zhì)中神經(jīng)細胞對特定刺激的反應(yīng)，然后在一個神經(jīng)元上施加微電流刺激，并觀察通過突觸相連的其他神經(jīng)的反應(yīng)。如此反復(fù)，最終就可以追蹤視覺皮質(zhì)中神經(jīng)細胞的功能及連接狀態(tài)。除視覺皮層外，研究人員希望該技術(shù)還能幫助他們繪制出大腦中主管觸覺、聽覺以及運動系統(tǒng)的神經(jīng)突觸線路。一旦弄清了位于大腦中不同層次的神經(jīng)突觸的功能和連接方式，就能用計算機來對這一世界上最復(fù)雜最為精密的器官進行模擬，揭開大腦的秘密。
　　
　　人造海馬
　　
　　記憶的重要性是人人皆知的，可以想象一下，如果一個人喪失了記憶，不知道自己是誰，不認識自己的親友，也不知道自己的過去，將是一件多么痛苦的事。這種境況并不罕見，除了因為種種原因造成大腦損傷引起記憶喪失外，最常出現(xiàn)的是老年癡呆癥。隨著世界人口平均壽命的逐年增加，全球人口趨于老齡化，老年癡呆癥的發(fā)病率也逐年上升。
　　現(xiàn)在，人類終于發(fā)現(xiàn)了大腦中掌管記憶的具體部位—海馬。海馬的損傷可以導(dǎo)致記憶喪失和老年癡呆癥。那么，制造一個“人造海馬”來代替人腦中的海馬不是一切都可以“OK”了嗎？科學家們正在從事此工作。美國南加州大學的貝格和他的研究小組幾乎花了10年的時間來研制這個“人造海馬”。他們首先創(chuàng)建了各種情況下海馬回如何反應(yīng)的數(shù)學模型，第二步是將該模型建成硅片，然后在實驗室里把它植入大腦，測試它的功能?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)研制出了人造海馬—一種能模擬控制記憶、情緒和知覺區(qū)的硅片。它將首先在小鼠大腦組織中進行測試，如果這個初步檢測取得成功，貝格和同事打算再在猴子上進行試驗。如果一切順利，將通過某種方式給患中風、癲癇或老年癡呆癥患者試用。如果該硅片能幫助海馬回受損者恢復(fù)貯存新記憶的能力，就可證明它是有效的，可以推廣到臨床應(yīng)用。
　　【責任編輯】蒲暉