脑科学技术达人KarlDeisseroth

　　Karl Deisseroth一次又一次地用他发明的新技术在脑科学(brain science)发展史上刻下了自己的大名。

　　Karl Deisseroth在2004年有了第一个完全属于他的实验室，后来他发现那间实验室的前主人竟然是诺贝尔物理学奖得主朱棣文(Steven Chu)。“我搬进实验室的时候，朱棣文的名字还挂在实验室的门上。”美国加利福尼亚州斯坦福大学(Stanford University in California)的神经科学家Deisseroth回忆说。沾名人的光总是有好处的，后来有一位化学系的学生Feng Zhang拜访朱棣文时，Deisseroth居然用尽花言巧语把他给留了下来，“虽然Zhang没听说过我，可是我让他对我的课题产生了兴趣。” Deisseroth得意地说道。

　　Deisseroth现在可是科学界的大牛之一了。有两项意义重大的技术都与Deisseroth有关，有了这两项技术，科学家就可以研究大脑中复杂的神经通路(circuit)是如何控制我们的行为的了。据Deisseroth介绍，他之所以开发这两项技术是因为想要认识和了解精神疾病(psychiatric disease)的发病机制，同时也是因为这方面的技术还非常匮乏，他想要填补这方面的空白。“情况非常清楚，如果要在精神疾病研究领域有所进展，我就必须花时间开发出一些新技术。”

　　Deisseroth说话缓慢但是很有节奏，为人轻松、闲适，这几乎让我们都忘记了他们实验室开发的技术都是和神经科学相关的。首先让我们来了解一下光遗传学技术(optogenetics)。该技术源自一种藻类(algae)蛋白，这种蛋白对光线非常敏感，将该蛋白插入神经元细胞之后就相当于在神经细胞当中安装了一个开关，科研人员可以通过是否给予光照刺激的方法打开或者关上这个开关，通过这种方式对细胞进行调控。实验室建立不久，Deisseroth就和研究生Zhang，以及当时与他保持密切合作关系的Edward Boyden一起成功地开发出了这种技术。很快，光遗传学技术就得到了全世界科学家的认可，被大家广泛采用，比如应用于对某种特定种类的神经元细胞的功能开展研究，也被应用于对抑郁症或自闭症患者神经通路异常情况的研究等。Deisseroth都数不清有多少课题组在使用他们开发的这项技术了，据他介绍，他们给数以万计的实验室都赠送过克隆。

　　现在，继发表了与新技术(名为CLARITY)相关的论文之后，Deisseroth的实验室又在全力以赴地为了这项新技术而努力冲刺。该技术通过化学处理方法可以让整个大脑变得“透明”，这样科研人员就可以对大脑的结构进行非常精细的三维立体观察，有助于了解大脑各部结构与各种大脑功能之间的关系，将大脑各个解剖结构与脑功能一一对应、并联系起来。Deisseroth在美国斯坦福大学攻读博士学位期间的导师，神经解剖学家Richard Tsien评价道：“我认为该技术能够让我们更清楚地认识大脑里各解剖结构、神经通路，及其功能之间的关系。”

　　Deisseroth敢于冒险，他鼓励他的科研团队合作完成同一件工作，他总是喜欢将拥有各个不同专业背景的人聚集在一起，也喜欢将多个不同的研究领域“强扭”在一起。美国华盛顿州西雅图市Allen脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science in Seattle, Washington)的首席科学家Christof Koch就认为，Deisseroth的成功正是得益于他这种广泛的兴趣和爱好。但是Deisseroth也有他非常专一的一面，对开发新技术、新工艺有一种非同一般的专注，据他自己介绍，这是出于满足他作为一名精神科医师(psychiatrist)的工作需要。虽然Deisseroth对于他们实验室开发的新技术也感到非常的兴奋，但是对于这些技术，他自己却不能够玩得非常转，所以他也只好无奈地耸耸那副宽肩膀承认他可没法像乔布斯那样做一个好的演示者。

　　细胞控制

　　目前在美国纽约大学Langone医学中心(New York University’s Langone Medical Center)工作的Tsien在第一次遇见Deisseroth时就对Deisseroth那种坚定的信念留下了极为深刻的印象，据他回忆，那是一次不同寻常的会面，当时Deisseroth是来斯坦福大学参加面试的，有点害羞，还告诉Tsien他来斯坦福就是想和Tsien一起工作。那还是1993 年，当时Tsien的实验室已经有很多人了，可是Deisseroth还是坚持要来，并且最终也说服了Tsien。作为Deisseroth攻读医学博士学位期间的一部分工作，当时Deisseroth在Tsien的实验室里开展的主要工作是研究神经元细胞的钙离子通道(calcium channel)。2000年，Deisseroth博士毕业之后面临了一个选择，一是以博士后的身份去斯坦福大学神经科学家Robert Malenka的实验室里继续这项研究工作，或者是到斯坦福大学医学院做一名精神病科住院医师。

　　“可是当我开始精神病科住院医师的临床轮转工作之后，我发现一切都和我想象的不一样。我们这儿的病人外表看起来可以非常正常，他站在你面前，你完全看不出他哪里有问题，可是他们的脑子里却是另外一个世界。那时，我才意识到这个问题是多么的难以研究，对我们这些医生来说，大脑里的世界实在是隐藏得太深了。” Deisseroth介绍道。

　　Deisseroth认为光对着在培养皿里的神经元细胞来研究抑郁症或者是焦虑症是远远不够的，因为大脑只有作为一个整体才会表现出能够指导人类行为的复杂、精细的功能，当然也只有大脑出了问题，才会让我们患上精神疾病。可是当时能够对人体，或者模式动物的全脑进行研究的技术还只能够简单地判断大脑是否在工作。

　　于是Deisseroth决定开发一种全脑研究、控制技术。他说道：“我和很多人都进行了非常深入的讨论。”在Deisseroth担任住院医师期间，他遇到了和他志同道合的博士生Boyden。他们也讨论了多种控制单个神经元细胞的技术，作为他们的次要工作。“那是一次非常冒险的合作，充满了未知性。” Boyden这样说道。

　　其中有一个方案就是使用光线来控制神经元细胞的活性。Boyden和Deisseroth均对视蛋白(opsins)这种对光线敏感的离子通道蛋白(light-sensitive channel protein)比较熟悉，这种蛋白有多种功能，其中藻类就是利用这种蛋白来产生能量的。当时包括Tsien的兄弟、美国加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的Roger在内的多个课题组都在研究如何将这种视蛋白插入到神经元细胞的细胞膜上。据Deisseroth介绍，他们当时的问题就是赶紧找到研究生，开始干活。2004年，Deisseroth终于有了他自己的实验室，于是他立马就行动起来了。

　　在2004年的7月，Deisseroth就成功地让神经元细胞在细胞膜上表达出了视蛋白。Deisseroth实验用的细胞是从Malenka那获得的，试验记录设备是找Richard Tsien借的，就这样，他和Zhang以及Boyden一起进行了试验。Boyden回忆说：“第一次试验的效果就很不错了。当时感觉就像中了大奖一样。”

　　第二年，Deisseroth获得了美国国立健康研究院(NIH)的资助，这让他后面的科研工作有了保障。在此之前，Deisseroth也碰过很多次壁，因为据美国马里兰州贝塞斯达的美国国立精神卫生研究所(US National Institute for Mental Health in Bethesda, Maryland)的所长Thomas Insel介绍，与原理验证类的研究工作(hypothesis-driven projects)相比，开发新技术这种科研项目一般都很难获得资助。Insel的美国国立精神卫生研究所就是第一个给Deisseroth的光遗传学项目提供美国联邦政府资助的单位。“当时人们还很难理解Deisseroth工作的意义和重要性。” Insel说道。

　　不过就在2005年Deisseroth发表论文介绍了这项技术之后不久，神经科学家很快也意识到了这项新技术的潜在价值。那也是 Deisseroth发表的第一篇比较有份量的文章，介绍了他们在体外培养的细胞上使用视蛋白进行的光遗传学研究成果。有了这项技术，科研人员就可以对某一类神经元细胞进行刺激，看看这些细胞会做出什么样的反应，当然也可以对整个生物体进行刺激，看看它们会如何表现。很快，全世界对这项技术的需求就如潮水般地向Deisseroth涌来。

　　这项技术被应用到了很多方面，其中就包括对神经干细胞发育问题的研究，以及促使小鼠记起久远的恐惧回忆的研究(Nature 465, 26–28; 2010)等工作。Deisseroth的课题小组一直都非常关注精神疾病问题，他们使用鼠动物模型研究了大脑中与焦虑情绪(anxiety)有关的神经回路，结果发现了一个神经中枢。该神经中枢能够控制多种不同的临床表现，比如呼吸频率加快、惊恐，以及不舒适等感觉。Deisseroth等人用多巴胺(dopamine)这种神经递质对小鼠的神经元细胞进行了调控试验(激活或者抑制小鼠神经元细胞的活性)，以此来观察这些神经元细胞与抑郁症临床表现之间的关系。他们也利用光遗传学技术成功地帮助试验大鼠戒断了对可卡因的“毒瘾”。据Deisseroth介绍，他们取得的这项戒毒工作成果有助于其他科学家开发出比目前在临床上常用药物的成瘾性更低的抗焦虑药物，因为他们发现可以只针对焦虑信号通路进行干预治疗，不需要触及奖励信号通路(reward circuitry)。

　　2006年，Boyden也在美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology in Cambridge)拥有了属于他自己的实验室。当时盛传他和Deisseroth的关系出现了问题，不过他们俩都没有对此发表评论。2007年，这两个实验室也各自发表了与嗜盐菌视紫红质蛋白(halorhodopsin)相关的文章。嗜盐菌视紫红质蛋白是一种具备断开功能的视蛋白，Boyden和 Deisseroth之前曾经一起研究过这种蛋白。Zhang介绍说：“在Ed在《自然》(Nature)杂志上发表那篇文章之前，我们一直都不知道他也在从事这方面的研究工作。” Boyden也说道：“大家都知道，在任何一场竞争中，每个人都想做第一。”

　　这场风波有可能给Deisseroth造成了影响，他现在不再那么容易信任他课题组的成员，以及来他这里接受培训的人员，尤其是事关CLARITY 技术的相关事宜。介绍CLARITY技术那篇论文的第一作者Kwanghun Chung介绍说：“关于是谁第一个想到了这个点子的问题，Karl非常敏感。” Deisseroth一直以来都梦想能够看穿大脑，可是最后是Chung发现了这种神奇的化学药物，所以CLARITY技术算是他们俩共同发现的。

　　看得更清楚

　　通常我们在研究大脑的精细结构时都会先将大脑组织切成一片片非常薄的脑组织切片，然后在显微镜下对这些切片进行观察，再将不同切片的图像重新重叠在一起，最后得到立体的结构信息，这种方法费时费力，而且还不够精确。为了解决这个问题，Deisseroth一直在寻找一种能够让大脑变得透明的化学手段。我们都知道，神经元细胞里的某些组份，尤其是脂质成份是不透光的，所以如何在保证大脑结构不被破坏的前提下去掉这些不透光的成份就是解决问题的关键。这与光遗传学技术完全不同，所以Deisseroth找到了拥有化学工程学背景的Chung，这也再一次体现出了Deisseroth勇于冒险的特质，他说道：“我还记得，当时大家都想不透我为什么要招Chung，不知道我要干什么，不知道我们实验室要干什么，因为化学和我们之前开展的遗传学研究是完全不同的两个方向，这简直就是180度的大转弯。”

　　最开始，Deisseroth想往神经元细胞里注入一种原料，使细胞固定，然后去除细胞外的组织，得到透明的大脑。可后来发现，这种方法很难得到一个稳定的细胞结构，但是可以很容易地得到细胞外结构。

　　然后他们又尝试了几种细胞骨架材料(scaffolding material)，比如角蛋白(keratin)和纤维素样结构(cellulose-like structure)，最后才确定了水凝胶(hydrogel)这种材料，水凝胶是一种主要由水构成的凝胶，已经被广泛地应用于生物学研究工作当中。 Deisseroth等人发现，水凝胶骨架可以很好地与神经元细胞组份，包括蛋白质、神经递质、DNA、RNA等结合。将细胞结构锁定之后，再用SDS这种去垢剂洗去细胞上的脂质成份，这样就能得到一个透明的脑组织结构(Nature 496, 151; 2013)。

　　介绍CLARITY技术的文章发表还不到一个礼拜的时间，Deisseroth就接到了几十份咨询邮件。Deisseroth在介绍当时情况的时候这样说道：“我们非常的……，让我想想用什么词来形容比较好，免得你们误会，以为这些信件当时给我们的工作带来了什么麻烦。”最后Deisseroth用了“倾泄而出”这个词来形容当时他们收到的邮件量。

　　据Insel介绍，CLARITY技术和光遗传学技术一样，也让世人震惊了。Insel说道：“一般人如果在事业刚起步阶段就像 Deisseroth那样做出了光遗传学技术这样的成绩，那他们今后肯定就会躺在功劳簿上睡大觉了。可Deisseroth却没有这样，他会继续朝着新的目标前进，所以才又有了CLARITY技术。”

　　很多研究人员都根据自己的试验需要对CLARITY技术进行了相应的调整和改造。比如美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis, Missouri)的神经科学家David Van Essen就对大脑里的白质(即神经组织里主要由轴突组成的那个部分)比较感兴趣，他就检测了CLARITY技术对于白质研究的应用潜力。该技术将帮助他们课题组研究大脑不同区域之间的联系模式。

　　美国马萨诸塞州布兰迪斯大学(Brandeis University in Waltham, Massachusetts)的神经科学家Eve Marder认为，将CLARITY技术和光遗传学等技术联合起来，或者在行为学研究工作中使用CLARITY技术分析行为背后的大脑结构基础，这些研究工作都会为科学家们提供大量有价值的信息，帮助他们了解和认识全脑的功能。但是对全脑这样的大型神经系统进行比较细致的研究还是存在很大难度的。 Marder通常也只是对30个左右的神经元细胞组成的简单神经回路开展研究，据她介绍，即便是这么小规模的一个“系统”，细胞之间不同的排列方式都会导致系统可能出现的个数呈指数增长。“对于那些有志于研究更大规模神经系统的科研人员，我个人建议他们应该注意吸取我们这些人的经验和教训。” Marder这样建议道。

　　CLARITY技术也给临床工作带来了一线曙光。在一篇介绍CLARITY技术的论文中，科研人员用这种方法对一位七岁大的自闭症男孩的脑组织进行了分析。结果发现，在这名患儿大脑皮质部分里的神经元细胞像梯子一样地聚集在一起，可是正常情况下这些细胞应该是形成分支状的结构。在对自闭症动物模型的研究工作中也曾经发现过类似的情况，不过有了CLARITY技术，我们就可以更方便地对人类大脑组织进行观察，发现其中的异常情况。

　　高风险与高回报

　　Deisseroth的办公室和他大部分的实验室现在还是在他2004年刚刚在斯坦福大学拥有第一间实验室的那栋大楼里。不过现在他的科研团队已经有35个人了，他也有了好几处实验室。Deisseroth的实验室里放了很多小玩意，就和技术宅的卧室差不多。他的实验室在大楼的最底层，这里没有自然光，不过Deisseroth却无所谓，因为这栋大楼的减震设计做得非常好，这一点对于离不开精细显微镜的Deisseroth来说至关重要。

　　现在在Deisseroth的科研团队里有计算神经科学家、有医学家、化学家和工程师，汇聚了各个方面的人才。Deisseroth去年还拿到了美国国立健康研究院的转化研究大奖(Transformative Research Award)，奖金高达2250万美元，他更加可以毫无顾忌地开展任何研究了。Deisseroth指出，他这里有各种人才，有高风险的研究项目，也有低风险的研究项目，所以他的配置是非常合理的。

　　在所有高风险的研究项目中有一项就是使用光场显微镜(light-field microscopy)对大脑进行成像。所谓的光场显微镜可以同时从各个角度记录图像。与此同时，Chung和Viviana Gradinaru则尝试在神经元细胞内构建水凝胶结构，他们希望用这种方法保持特定细胞构成的组织结构，或者将某种神经元细胞全都固定住，亦或将所有表达某种基因的细胞全都固定住等。当然，Deisseroth的课题组也没有停止光遗传学方面的工作，还在继续完善这项技术，比如开发新的视蛋白，开发新的光束控制方案等。

　　Deisseroth已经扩大了他的实验室，以方便前来学习的科研人员。在2010至2012年间，大约有200多人来Deisseroth的实验室学习光遗传学技术和CLARITY技术。据Van Essen介绍，Deisseroth的实验室干的就是自耕农的工作，他们就是要努力推广这些技术。所有的工具都可以免费获得，虽然斯坦福大学已经就某些方面申请了ZL，但那是为了保证大家都可以免费使用这些技术。而且Deisseroth也没有从中赚取一分钱。

　　Deisseroth在进行紧张的科研工作的同时也没有放弃他的另外一份工作——精神科医师。他现在还掌管着一家精神病诊所，每周都会去接诊，他现在的日程表已经排得非常满了，他在尽力平衡各种工作。他依旧认为他的研究工作最终会对临床医学起到不可替代的促进作用。他表示，对于某些精神疾病，他们现在就可以帮助很多患者，可是还有一些精神疾病是他们现在束手无策的。所以还需要继续开展科学研究，解决这些问题。

　　简单、无拘无束的好奇心支持着Deisseroth在科学的道路上继续前进。“我认为所有的科学家对这个大千世界都有那么一点好奇心。他们不仅想知道这个世界是什么样的，还想知道这个世界为什么是这样的。” Deisseroth这样总结道。