邁克爾·豪塞爾（Michael Husser）：全光學手段（AOI）在行為動物神經迴路中的應用
42:342019第六屆諾貝爾獎獲得者醫學峰會暨未來科技創新論壇，9月20日在成都正式落下帷幕。本屆論壇著眼於腦科學與類腦科學研究前沿及應用、人工智慧技術應用的現狀與未來、智慧醫療、智能養老等多個主題，以全球視野展現前沿科技，探討未來醫學發展大勢，助推醫藥健康產業的全球化合作與發展。
以下為英國皇家學會會員、威康信託基金會首席研究員、歐洲人文和自然科學院院士、英國倫敦大學學院神經科學教授 邁克爾·豪塞爾（Michael Husser），在「未來科技創新論壇」上的精彩演講摘要。
我們看到基因碼都很簡單，而且這麼簡單的密碼能夠給我們帶來生活如此的多樣性，如此多樣性的生命體。很多科學家對於基因密碼的神經方面的問題很感興趣，他們想要去了解背後的神經密碼是什麼，包括時間和空間的模式，包括這些神經的動作電位的密碼，空間和時間不變化，這是一個非常困難的問題，我覺得我們還有很漫長的道路要走，才能夠真正的解密神經密碼。
首先，我們的神經環路很複雜，這張圖片是實驗室里大鼠腦部的神經圖片，我們看到很多不同的細胞通過非常複雜的方式，通過各種各樣不同的神經元聯繫在一起。其次，也就是神經環路的模式結合了數以萬計的神經元，這本身就是複雜無比的。這是抓拍了來自大腦神經元的的影像，這個影像記錄了高清晰度的大腦神經像素的變化過程，而且是同步的記錄。
這是抓拍了鼠腦的視覺皮層的變化，每一個神經元、每一個點代表著一個神經元的凸觸。有些神經元很平靜，有些神經元很活躍，而在這個神經元變化的模式，包括視覺皮層神經元變化的模式也有不同的模式。有一些看上去讓我們想起了摩爾斯電碼，但是問題是我們不知道密碼，我們不知道這些神經元相互之間是怎麼溝通的，所以這就是一個巨大的挑戰，我們現在有兩大傳統方法在神經科學領域來應對這樣的問題。
首先是傳統的記錄方式。，上一張紀錄片典型的傳統記錄方法。它通過多單位的記錄，記錄了大腦神經元的變化情況，同時保存了電腦受電擊的情況以及記錄了動物神經元的變化狀況。這是這個領域的先驅，這是非常基礎的研究。我們可以了解到大腦皮層感覺的變化，這種傳統的方法提供了一種相互聯繫的信息，這個信息是關於神經環路變化的活動情況。與此同時，對於大腦是不是真的使用這些神經元進行決策，還是一個問題。我們還有一種研究的路徑叫操作的路徑，或者叫操控的路徑，通過這個方法我們可以了解到人類行為過程中神經元的變化情況。
這來自我另外一位同事的工作，他們進行了模擬的模擬，通過這樣的研究顯示了具體的大腦環路的活動情況，可能對於我們做出認知的決策來說是至關重要的。但是這兩種傳統的研究和路徑都是平行的，所以說很難對同一個神經元進行記錄，進行操控。這裡有一位先驅人物，他解密了我們的基因密碼。特別是他想到研發出一些新的神經科學的設備，比如說1996年他提及了兩種新的工具，一種是運用光探索神經元的變化情況，通過這種閃光的方式來刺激神經元，同時可以記錄大腦里神經元的變化情況。同時，他還提出了另外一個工具，也就是工程神經元的方法，它更敏感，就像你可以使用燈，使用光照來去進行操控和去探索這些神經元的活動。
使用光照來進行神經元的探索的原因，是因為，顯而易見光照是非侵入性的，你只需要在大腦上插一個電極就可以了，而且它是沒有惰性的，不會幹涉正常的神經功能，非常精準，可以精確到納米級，你可以使用不同的波長來滿足不同的功能檢測。它是有針對性的，你可以通過這樣的光照來接觸到不同類型的細胞，所以使用光是一種非常有趣且有益的方式。自從他提出這樣的建議以來，我們可以看到光照的應用在探索研究神經元活動方面取得了一些突破。與此同時，我們看到另外一種方法，使用LG的燈光技術精確了解神經元的控制活動。我們能夠記錄神經元的活動：動物或者人物在表現某種行為的過程中，把神經元的變化記錄下來，我們可以把這個閉環全面的完成這項記錄，它能夠將某種特定神經元的活動模式和行為結合在一起，這也是一個巨大的貢獻。
我們有一些試驗嘗試用音樂的邏輯來進行。如果我們使用一些感測器來記錄神經元的變化，特別是在神經元受到音樂刺激之後大腦迴路神經元發生的變化，然後再次重新播放同樣的音樂給到同樣的神經元，音樂可能對於神經元的行為變化產生影響。我們也可以改變音樂播放的音調，而且我們可以選擇音樂播放的順序來真正識別，到底神經元密碼中哪一個對於我們的行為影響是最重要的，這是我們總的試驗指導思想。
經歷了過去的5年，我們現在有了可能實現這樣的夢想中的試驗的全光學工具箱，用來進行神經環路的研究。這是一個非常精彩的來自世界上很多實驗室的合作，通過這樣的合作，我們研發出了很多儀器，讓全光學試驗成為可能。
首先，在記錄和操控層面、基因層面可以記錄，也可以去閱讀和操控神經元的活動，我們可以了解整個神經元的活動，我們也有全新一代的設備，同時也使用了電壓跳變的方法，我們還有一系列的探針，允許我們去關閉或者打開基因調整的神經元。有一系列的策略，包括電壓跳變，允許我們在進行病毒、乃至基因層面的記錄和操控。
最後我總結一下光學研究應用的策略：在正確的時間抓取正確的神經元，同時記錄神經元的變化以及神經元變化對於行為的影響。
現在我給大家介紹在我的實驗室所採用的設備。我們有非常好的GCaMP6感測器，它能夠去記錄光學記錄神經元的變化，特別是記錄大鼠腦皮層神經元的變化。在操控層面我們有另外一個非常好的工具，CEVE，這是有兩個光子的光學基因探針，它可以讓我們更好了解細胞的狀態。為了能夠獲取正確的時間，對細胞進行正確的照射，我們使用（SLM）空間光照模塊，我們把它們分成不同的電腦控制的光束，從而產生我們想要的用於照射組織的不同類型的光束，這是通過我們的操控產生的不同光束。通過這個技術畫出DNA，包括UCL的方式都可以用光束來形成。
我結合了顯微鏡的設計，比如說我們有顯微鏡進行圖像的處理，而且我們可以進行同步基因的記錄，這是一個長光束的激光，它最後通過我們的儀器被分解成了不同的光束，所以我們可以同步的去閱讀和記錄細胞的神經元的變化情況。
這是我們夢想成真的試驗，通過我們的儀器對大腦皮層的神經環路進行完整的記錄，這讓我們有可能解讀個體細胞的活動，並且操縱細胞的活動。對於單細胞的處理，我們可以精確到單個細胞。我們準備了一些試驗鼠，通過GCaMP6的儀器進行照射，你可以看到單體單一的細胞，這樣的試驗光是使用光束從而了解到細胞1的電位情況。
當我們使用了一個光學的刺激，我們可以了解到細胞1變化的模式和情況，我們也可以記錄細胞1任何一個單一的行動電位。與此同時，我們可以使用GCaMP6信號，可以記錄它所有的變化。這是來自細胞1、2、3GCaMP6細胞變化的情況。通過我們的模擬，我們只激活了細胞1，沒有影響到細胞2、細胞3，所以這是非常精準的試驗。
關於哪些細胞是活化的，我們還可以使用其他的工具，比如說使用細胞類型的標誌物，來進行試驗。我們標記主要的神經元，包括各種各樣的細胞，並以此為根據進行分類。很多神經元的反應應答的變化情況，可以看到靶向細胞彼此有很大的不同，它們在行為和應答方面都有不同。這張圖中顯示的大腦皮層神經環路中的360個細胞實際上產生了整個光譜的活動，包括細胞電位的變化情況。
我們現在可以針對任意數量的細胞，用光學的方法檢測腦皮層輸入和輸出的功能，同時會活化不同的靶向細胞。我們把它們進行了分類，無論是激活還是什麼樣的變化，可以看到這基本上是一個線性的關係。其恢復的過程會比我們想像的更慢，你所預期的是在你增加了細胞活動的同時，你需要去終止，否則會造成皮層的破壞，會出現癲癇這樣的情況。這就是為什麼我們要把這個功能放在神經環路的背景下進行考慮，沒有其他的方法或技術能夠給我們提供這樣高精度、高清晰度、非常準確的輸入輸出功能的控制，並且產生這樣非常重要的數據，而這些數據是和腦皮層功能密切相關。
到目前為止，我給大家展示的是我們用光學進行檢查隨機選擇的細胞的情況。在腦皮層當中，根據它的功能特點，具體的細胞會有什麼特徵上的變化呢？我們根據10年的試驗所了解的是，腦皮層對於不同的感測器發出的光線會有不同的反應，所以我們會有意識地選擇、活化大腦皮層神經元。比如說大腦視覺皮層，首先可以進行影像的繪圖，有一些是水平的運動，有一些神經元不會有任何的反應和應答，所以我們會通過繪圖，針對這些個體功能的子群神經元進行針對性的研究。我們問的問題是：這些有選擇的神經元，是不是對於外部的刺激，相比其他神經元有更強烈的反應呢？我們進行了相應的刺激之後，結果顯示沒有任何的不同，這也排除了這樣的假說，也就是有選擇細胞更容易被活化激活的假說已經通過我們的試驗被排除了。這樣的應答可能根據不同的神經環路產生不同的變化，因為針對某個特定功能的細胞群，前提是在基因相同的樣本中，在活化整個細胞群的過程中，這是很強大的工具，同時這也是非常有枯燥的試驗，你要進行繪圖，錄製影像。我們的學生對於細胞進行影像的拍攝，他們回家之後會對影像的數據進行分析，製作出這個圖，然後會進行刺激試驗，整個過程是非常繁重且枯燥的。
我們怎麼樣加速工作的進展呢？我希望能夠給學生減少工作量，幫助他們提速，提高試驗的效果。為了能夠更快的閱讀，我採取的方法是在正確的時間對正確的細胞進行活化，使整個實驗的路徑成為閉環。
這種想法是受到來自工程學閉環系統靈感的影響。比如說房間里的空調維持房間的溫度，而且溫度是固定的，通過升溫或者降溫的方式，汽車也是一樣的。比如說我從倫敦到成都的飛機，它們有自動駕駛，自動駕駛系統採取的原則也和這個原則差不多，其實都是相通的。使用全光學手段的閉環策略去控制神經元是非常好的想法，所以我們嘗試硬體和軟體相結合去實現這個目標。首先會進行快速的在線分析工具讀取神經環路的信息，我們使用這些信息針對正確的神經元，在正確的時間，來完成這個閉環，來實現實時的閉環神經環路的控制。
稍後我們能夠實現不同類型的回饋控制，通過控制神經元的表現和行為，我給大家展示兩個例子，也就是你怎麼樣進行不同的試驗來控制神經，包括控制神經空間和時間體量的變化。通過數十年對於神經元平均時間、空間體量變化的研究，我們可以使用這個信號作為一個神經元信號傳導的代理，可以使用閉環的控制來控制神經元，然後通過刺激的方式，讓單神經元在腦皮層進行一個視覺的表達，然後完成閉環，之後壓迫主要的信號通路，使用不同程度的信號通路進行控制。這是非常可靠的，把它分成三層，我們可以使用獨立的收集系統，這個平均的數據展示了每隔10分鐘可以捕捉到信號，這恰恰符合我們的預設。
輸出層面的結果也是令人滿意的，我們可以進行獨立的檢查，檢查它的電位變化的情況，這是一個線性的過程，最終能夠讓我們從光學層面控制單一的神經元變化。有一些環路使用的是空間密碼，有些使用的是時間密碼，我們在進行這樣的試驗過程中要注意時間點，所以使用不同的方法能夠解讀某個特定的激活，誘發神經元的變化情況。我們能夠了解，並且能夠活化一系列的靶向神經元。
這是我們的目標，當我們檢測激活神經元的時候，我們就能活化相應的神經元，這個過程是促成神經元活動之間的聯繫，加強它們之間的互動。這是一個非常經典的關聯性的分析，有些試驗是基於單一的神經元和多目標、多靶向的神經元。這個方法是很靈活的，你可以進行不同類型的神經環路的分析，而我們可以同步的解讀出它們的活動。這是個體激活的神經元和受體神經元相互之間的聯繫，將激活和靶向神經元結合在一起。我們另外一個專家是一位心理學家，他提出神經環路的網路在記憶功能中的作用。我們看到大腦凸處的強化對大腦記憶力的提高是有幫助的，這也和神經元A和神經元B有聯繫，而實際上神經元之間是相互互動、相互作用、相互聯繫在一起的。記憶在大腦中的存儲，怎麼樣進行記憶，這樣過程中神經元的分析是很困難的，我們將大腦中不同家族的神經元進行結合、分析，我們可以通過這樣的光學分析，從神經元的角度來解決我們行為上的問題。
我們有靶向的神經元，或者叫激化的神經元，或者是使用閉環策略，讓它們相互之間作用，就可以看到它們相互之間聯繫在了一起。我們關閉了閉環，可以看到最終出現了神經閉環的模式。我們進行了兩種不同類型的試驗，一個是閉環的試驗，我們將激活的神經元和靶向神經元結合在一起，了解一下它們在大鼠大腦皮層中的行為變化的作用。第二種類型，同樣程度的神經元，我們把這兩者結合起來，這是一攬子的方法，這是一個反聯繫的、孤立的研究方法。
我們最終的結論是令人非常震驚的，當我們應用閉環的策略，這就會產生一個長期的變化，這也展示了神經元的活躍程度。首先是基線，然後是調整期，可以看到閉環將激活的神經元細胞和其他神經元細胞結合在一起，而這和我們之前所進行的對照實驗室是完全不同的，在試驗過程中差不多持續了一個多小時，我們會進一步進行試驗。
接下來，我們會了解長期的機制。首先可以看到的是激活神經元和靶向神經元之間的聯繫，在此過程中可以看到在激活的神經元和靶向神經元之間產生的聯繫，它們達到了一個峰值。使用我們光學的儀器和方法，我們可以精準的了解神經閉環的情況以及了解活動是發生在神經閉環的哪一個位置。我們預測在閉環的過程中可以加強神經元的活動，比如說可能是上游的、下游的變化，最終會造成我們在觀察的過程中發現神經群的變化增加。現在這些光學的方法都是可以起到控制作用的。
光是使用光學儀器來記錄和操控單細胞，可以記錄神經元的活動，並且也可以了解某個特定的神經元的活動類型和行為之間的關係，這對於解讀神經密碼來說至關重要。我們長期的目標就是去操控行為，使用這樣的方法來控制行為。
我花幾分鐘的時間給大家展示一下兩種不同類型的試驗，是我們利用這種策略來控制行為。訓練老鼠來接受刺激之後做出反應，同時我們使用全光學的儀器來監測和操控大鼠大腦皮層神經環路的變化，我們可以將神經功能進行繪圖，可以看到不同神經元群的變化情況。我們可以有選擇性的刺激某一個特定的神經元，比如說有某個偏好的神經元來進行光學的刺激，可以看到怎麼操控神經元來影響到行為。
最後的結果是很令人吃驚的，操控具體的神經元群，它們會對於有針對性的刺激做出反應，這取決於動物本身的狀態。我們發現動物學習某個任務，或者是不學習某個任務，實際上是大腦皮層的神經元的活化。我們活化和刺激大腦里的某個神經元，就能改善它們的行為，針對某種細胞我們能夠改善它的行為，一旦動物變成了行為的專家，它學得非常好，它的學習曲線也非常好，再去激活和活化同樣的神經元，會讓它的行為惡化、變糟。動物在處理某個任務的時候做得很好，如果再刺激它的神經元，那麼它的行為就會變差，它完成任務的能力也會變差，我覺得這取決於我們的皮層什麼時候介入。這是一個例子，也就是我們的策略是怎麼樣來操控行為的。
另外一個試驗是在校園裡面，我們在一個虛擬現實的環境下做的試驗。很多人都知道神經元在海馬體是非常重要的發現，因為它能夠給我們指明方向，這個發現獲得了2014年諾貝爾生理學獎，也有相應的證據表明，它還和我們的認知密切相關，還沒有展示的是大腦怎麼樣使用這些信息，這些信息好像是最具有代表性的，對於導航，或者是方向感密切相關。
我們會在虛擬現實的環境下讓老鼠給它尋找方向，在這個過程中我們去了解大腦神經元的變化情況，我們進行了幾組試驗，我們在試驗之後發現經過我們選擇的細胞，它們對於環境方向的認知感更強。我們使用GCaMP6的儀器探測所得出的結論，我們通過刻意的操控某個特定的細胞，然後去影響人們在虛擬環境下的定位能力，所做的事情就是活化細胞。在虛擬現實的環境中，我們欺騙老鼠，讓它以為自己所生活的環境是不一樣的，我們通過直接刺激細胞改變它的認知地圖，因為它大腦的認知地圖會對它在虛擬現實中的方向感很重要。
我給大家展示的是使用光學的策略來操控神經元，我覺得這是一個非常有效的解密神經密碼的工具，能夠更好的實現腦機結合，治療一些大腦疾病，並且可以更好的研發基於神經元的計算機。我們的大腦非常複雜，可以做非常多的工作，我們可以研發出新的基於大腦的人工智慧，日常生活中給我們帶來便利和幫助。
（文章根據現場演講速記稿整理，未經專家確認）
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