科學之謎|讓大腦透明的科學家

改良年夜腦當作像手藝

阿蘭·賈薩諾夫是腦神經科學范疇新一代領甲士物。他對年夜腦的研究始于2004年，在哈佛年夜學拿到分子生物物理學的博士學位之后，出于對神經科學強烈的樂趣，賈薩諾夫來到麻省理工學院的麥戈文腦科學研究所任教，他試圖揭開年夜腦的神秘面紗，理解年夜腦若何在微不雅的分子層面上行使其復雜的功能。

幾個月之后，賈薩諾夫發現這很是堅苦，因為他貧乏足夠切確的研究東西。好比，在神經科學范疇，科學家普遍利用功能性磁共振當作像來不雅測年夜腦的勾當環境。這種手藝是經由過程測量腦部各區域血液流動的轉變來反映年夜腦執行特心猿意馬使命時哪一部門會處于活躍狀況，這就比如是經由過程測量計較機各部件的熱量來闡發計較機的工作環境。可是，血液流動的轉變凡是發生在神經細胞勾當的數秒鐘之后，無法實時反映年夜腦勾當的真實環境。并且，細小的血管限制了空間分辯率，當作像可以分辯的最小體積中足以包含上千個神經元，這對分工高度細化的腦部組織而言其實是太粗拙了。所以，出于對已有研究東西的不知足，賈薩諾夫進一步將研究偏向定位為“分子影像學”，專門研究若何對年夜腦進行加倍切確的當作像。

在麻省理工學院盡力了幾年后，賈薩諾夫確實發現了一些研究年夜腦的好方式。他靈敏地意識到，比擬起血液的流動，鈣離子的勾當其實是反映年夜腦神經勾當加倍直接的表征，因為神經遞質（在神經元間傳遞信息的化學物質）的釋放和神經感動的傳導都需要鈣離子的介入，并且，只要神經元興奮，就會有鈣離子進入神經元。若是可以或許測量年夜腦鈣離子的勾當環境，就可以加倍直接地繪出年夜腦勾當的圖像。

于是，賈薩諾夫將一種對鈣離子敏感的造影劑與超順磁性氧化鐵分子連系，發現了一種新型的納米鈣顆粒造影劑。嘗試時，賈薩諾夫和學生們將這種造影劑輸入動物的年夜腦，然后再用功能性磁共振設備來對腦部當作像，成果顯示，當利用具備超等順磁性的鈣納米顆粒時，功能性磁共振設備的旌旗燈號顯著加強，信噪比也更好。并且，基于此種造影劑而做出的腦部當作像可以反映年夜腦局部瞬時的鈣離子的轉變，也就由此研究了特心猿意馬勾當下腦部組織的興奮環境。

讓基因當作為跟蹤東西

賈薩諾夫認為，分子影像學的方針是，在分子程度上供給生物體完整的生物學信息。于是，他又測驗考試在更小的標準上利用功能性磁共振當作像，將動物年夜腦內的基因勾當變得可視化。賈薩諾夫和學生們采用的法子是設計新型的“陳述基因”，這個“陳述基因”只會跟著動物年夜腦內特心猿意馬的“方針基因”的活躍而活躍，也就是說它能“陳述”動物年夜腦內某種基因的活躍狀況。若是可以或許利用造影劑，將“陳述基因”的活躍水平可視化，那么科學家就可以監測動物年夜腦內“方針基因”的勾當了。

賈薩諾夫利用了一種叫做“錳卟啉”的造影劑和一種可以編碼“排泄型堿性磷酸酶”的基因（簡稱為“SEAP基因”）來做嘗試。“錳卟啉”自己可溶于水，輕易被排出體外，難以被功能性磁共振設備所檢測。然而，當“排泄型堿性磷酸酶”碰到“錳卟啉”時，兩者會發生反映，使“錳卟啉”造影劑變得難溶，并起頭在腦組織中堆集，使其可以被檢測到。

賈薩諾夫和學生們經由過程將攜帶“SEAP基因”的病毒注入動物的腦細胞內，想法子將“SEAP基因”并入動物自身細胞的基因組。然后，動物的腦細胞起頭出產“排泄型堿性磷酸酶”，這種酶被腦細胞排泄出來并錨心猿意馬在腦細胞的概況。接下來，賈薩諾夫為動物年夜腦注入“錳卟啉”造影劑，造影劑擴散至年夜腦，可是年夜部門被排出體外，僅在出產了“排泄型堿性磷酸酶”的細胞概況有心猿意馬量的堆集，這時，利用功能性磁共振當作像就可以查明“SEAP基因”在年夜腦哪個部門是活躍的。

今朝，賈薩諾夫還只能做到讓功能性磁共振當作像檢測出“SEAP基因”是否被當作功植入動物年夜腦。在將來，他打算打算將“SEAP基因”與影響年夜腦進修和記憶的“方針基因”聯系起來，使其可以或許做到只有在“方針基因”開啟時才處于活躍狀況，這還需要賈薩諾夫和學生們對“陳述基因”作進一步的設計。