灵光乍现——看到思想的“火”光

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撰文丨张半吊子（南洋理工大学 博士生）

责编丨高阳

排版丨X

常言道：“知人知面不知心”，说的是思维难测，旁人只能直观地看到你的外在行为，而无法知道你在想什么、感受是什么。所以，一直以来，“读心术”、“通感”都是大众娱乐节目里十分博人眼球的话题。

但是，也许在不久的将来，“你在想什么”这个问题将不再是各大玄学领域能够争奇斗艳的了。因为，能够精准观测我们脑内活动的技术，或许会在将来问世。至少现在，我们已经能清晰地看到一条鱼的脑内活动了。

图1. 一条斑马鱼的脑内活动

（Dr. Philipp Keller,2014 Olympus BioScapes International Digital Imaging Competition）

在上面的动图里，你看到的是一条斑马鱼（zebrafish）的脑（图1），而其中不停闪现的“火光”，则是它脑内各个神经细胞活动的表现。神经细胞之间通常都有着紧密的联系，形成了一个个神经通路（neural circuits）。而我们通过研究一个个神经细胞活动的先后以及推测可能的因果后，就可以探明大脑工作的这些回路。而像上面一样，这种把不可见的神经细胞活动以“闪烁的星光”呈现的技术，就是今天要介绍给大家的——钙离子成像。

我是一条小小的斑马鱼（News-Medical.Net）

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钙离子成像，它是什么？有什么用？

顾名思义，钙离子成像是利用细胞内钙离子浓度变化为指示，来反映细胞活动的变化并同时放出我们肉眼可见的光的一种技术。简单来讲，一个神经细胞的活动越是剧烈，所发出的光就越是闪亮。

这门技术诞生于本世纪初，它为我们打开了探究实时神经细胞网络的大门。通过不同的行为学实验，我们可以从功能上划分出脑内负责特定活动的细胞集合。这种优势是之前的技术所不可比拟的。它就像大数据一样，使很多被埋藏在一个个细小数据之中的趋势无可遁形。

举个例子，目前大多数精神疾病都只能凭借病人的外在表现症状来认诊，无法判断他们的深层原因是什么，同样的症状之下是否有着不一样的病因。就像同样是发烧，由细菌引起的可以吃抗生素，但如果是由病毒引起的，再吃抗生素就不管用了。而钙离子成像，可以让我们发现异常的神经细胞网络活动，从而为精神疾病的精确诊断提供了可能性。当然距离这一步，我们还有很长一段路要走。

总而言之，运用钙离子成像，神经学家们可以看到地球上最复杂的器官内部的运行机理，并能初步解读那一个个闪光背后所暗藏的功能代码。

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它的原理是啥？

首先，钙离子成像技术的核心当然是钙离子啦。钙离子在神经细胞活动中相当于一个控制开关，平时细胞不活动或者“休眠”的时候，神经细胞质内钙离子十分之低，不是被排到外面，就是被锁进细胞器里。但是，一旦细胞被激发，钙离子通道一打开，大量的钙离子就会涌入细胞质，从而触发接下来一级级的各种反应，有释放神经递质的，有帮助移动突触囊泡的，有改变细胞长期基因表达的等等。所以一句话，只要钙离子浓度突然增加，我们就知道那个细胞参与活动了。

有很多种指示剂都可以使我们看到细胞中钙离子的浓度的增加，从有机Ca2+染剂，到各种荧光蛋白，以及相匹配的技术，但万变不离其宗，他们都会和钙离子作用产生结构上的改变，从而给出细胞活动的信号。

在这里，我主要介绍GCaMP钙离子成像。它是目前广泛应用的技术之一。

GCaMP蛋白是由三部分组成：钙调蛋白（calmodulin, CaM），M13链接肽链，和绿色荧光蛋白（图2）。钙调蛋白负责监测钙离子的浓度，一旦出现浓度变化，它便产生形变，“通知“荧光蛋白，使之发出荧光，而M13则负责将这两个连在一起。通常，编译GCaMP的基因会被人工的加入一个细胞里面，基因表达生成蛋白之后，它就可以作为钙离子浓度的监测器了。

图2. GCaMP 结构（Jasper Akerboom et al. 2012）

下面这个动图展示的是实际实验中，小鼠运动皮质区树突的GCaMP钙离子成像：

小鼠运动皮质区树突成像（Chen Q,et al.2012)

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GCaMP成像的应用

在研究中，一般会将GCaMP和一些行为测试相结合。比如科学家要探究饥饿后的奖赏行为，这些行为发生的时候到底是哪个脑区，哪一类型神经元参与，就可以利用这项技术。例如，有研究者通过GCaMP发现，在饥饿的时候给小鼠喂食，小鼠脑弓状核细胞明显激活，我们就可以推测脑弓状核的活动与进食的奖赏行为有关 (Betley J, et al. 2015)。同时，GCaMP蛋白还可以通过一些改造，特异性表达在某一类型神经元上，来更细致的研究不同类型神经元在某种行为发生过程中的作用（Kostadinov J, et al. 2019）。这门技术提供了比免疫荧光更实时的监测，比电生理更宽广的视野。这些优势使研究者们可以做到许多以前做不到的事，从而有了新的发现。

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GCaMP成像的不足之处

虽然GCaMP带来了大面积神经细胞活体成像的能力，但同时它也不是个终极技术，它还有着不足，还有很大的进步空间。

由于光学显微镜本身的限制，我们目前只能清晰的看到一个位置，大概500微米的深度，再深的地方就会由于各种散射，只剩一个模糊的像了。嗯，500微米大概就是五根头发丝并排的长度吧。

其次，GCaMP本身的反应速度限制了它在时间上一秒以内的分辨率，通常在十分活跃的细胞里，比如一秒三十次活动，我们就只能通过后期处理来判断到底有几次在这几秒内发生。这让误判有了可乘之机。

再者，GCaMP本身单一的色调让同时监测一个大脑不同脑域部位之间神经细胞的交流带来了麻烦。不过，最近由日本科学家开发的XCaMP突破了钙离子成像单一色谱的限制，不得不说这是个好消息。

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最后——“我们离科学读心还有多远？” 

大名鼎鼎的X教授（来源网络）

——挺远的。

虽然理论上来说，我们已经可以运用钙离子成像来解码人脑中的想法，但实际上，鉴于各种技术上的门槛，社会伦理道德方面的要求，科学家们目前只能在非人的哺乳类动物，如小鼠或猴子上做钙离子成像实验。不过，这些从动物身上得到的神经编码，也会给解译人类大脑带来十分重要的帮助。

也许有人会问，“不是说功能性核磁成像（fMRI）已经能看到人脑的活动了吗？为什么还要看钙离子成像？”

这就要谈谈功能性核磁成像（fMRI）和钙离子成像的差别了。fMRI是利用大脑某个区域血液中氧气的动态变化来成像的，而钙离子成像则是神经细胞个体的活动。这区别就好比用卫星俯瞰整个森林的生长情况，和在地面观察一颗颗树之后集成的生长情况一样。fMRI着重于大脑各个区域活动的大体状况，而钙离子成像给出的则是各个神经细胞组成的神经网络信息。同时，前者是神经细胞活动后的间接表现，有一定的滞后性，而后者实时性更高。它们都有各自的应用价值及优势，帮助回答着不同的科学问题。

总而言之，在有生之年，要想像X教授一样读心，还是做梦比较快吧（笑）。不过你有时连自己的想法都不懂，更妄论别人的了。

参考文献

1. Nakai J, Ohkura M, Imoto K. (2001). A high signal-to-noise Ca2+ probe composed of a single green fluorescent protein. Nature Biotechnology, 19(2): 137.

2. Akerboom J, Chen T W, Wardill T J, et al. (2012). Optimization of a GCaMP calcium indicator for neural activity imaging. Journal of Neuroscience, 32(40): 13819-13840.

3. Betley JN, Xu S, Cao Z, et al. (2015). Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature, 521(7551), 180–185.

4. Kostadinov D, Beau M, Blanco Pozo M, et al. (2019). Predictive and reactive reward signals conveyed by climbing fiber inputs to cerebellar Purkinje cells. Nature Neuroscience, 22, 950–962.

5. Chen Q, Cichon J, Wang W, et al. (2012). Imaging Neural Activity Using Thy1-GCaMP Transgenic Mice. Neuron, 76(2), 297-308.

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