由婴儿尿布所启发的大脑研究新法
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0:01 - 0:02大家好
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0:02 - 0:05今天我带来了婴儿纸尿布
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0:07 - 0:09等一下，你们就知道为什么了
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0:09 - 0:11婴儿纸尿布有些很有趣的特性
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0:11 - 0:13比如加水会膨胀
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0:13 - 0:16每天有数百万的小孩在做这个实验
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0:16 - 0:17（笑声）
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0:17 - 0:19但尿布会膨胀的原因
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0:19 - 0:21是源于它们的巧妙设计
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0:21 - 0:24它们是用可膨胀的材料制成
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0:24 - 0:27如果把水加到这种特殊材料中
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0:27 - 0:28它就会疯狂地膨胀
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0:28 - 0:30体积约胀到1000倍
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0:30 - 0:34这是个非常有用的工业类聚合物
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0:34 - 0:36我在麻省理工学院的研究团队
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0:36 - 0:40想要尝试用类似的方法让大脑膨胀
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0:40 - 0:41试试我们能否把人脑胀大
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0:41 - 0:42大到可以让人窥视它的内部
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0:42 - 0:45看里面的小组件和生物分子
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0:45 - 0:47看它们在三度空间的组合方式
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0:47 - 0:51看大脑的结构和里面的实况
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0:51 - 0:52如果办得到
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0:52 - 0:56也许我们能更理解人脑的组织
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0:56 - 0:57理解它如何产生思想和情感
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0:57 - 0:59行动和感觉
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0:59 - 1:02或许我们可以知道究竟是什么产生了变化
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1:02 - 1:04导致大脑发生病变
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1:04 - 1:07像是老年痴呆症、癫痫和帕金森氏症这些疾病
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1:07 - 1:10这些疾病只有少数相应疗法，极少人可以被治愈
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1:10 - 1:14我们往往不知道这些疾病的原因或者起源
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1:14 - 1:16以及是什么引发了疾病
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1:17 - 1:18我们在麻省理工学院的研究小组
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1:18 - 1:21正尝试采取不同的观点
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1:21 - 1:24这些观点有别于过往百年研究神经科学的方法
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1:24 - 1:26我们既是设计师，又是发明家
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1:26 - 1:28我们正在尝试怎样发明出新的科技
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1:29 - 1:31能让我们审视和修复大脑
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1:31 - 1:32这么做的原因是
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1:32 - 1:35大脑的复杂程度令人难以置信
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1:35 - 1:38回望脑神经科学研究的第一个百年,我们得知了
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1:38 - 1:41大脑是个很复杂的网络
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1:41 - 1:43由称做神经元的特殊细胞
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1:43 - 1:45以复杂的几何形状连结而成
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1:45 - 1:49电流可以通过这些形状复杂的神经元
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1:50 - 1:52此外，神经元被连接在网络中
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1:52 - 1:56它们通过被称为突触的微小连接口来交换化学物质
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1:56 - 1:59让神经元彼此间交流讯息
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1:59 - 2:01大脑有着不可思议的高密度
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2:01 - 2:03在每一立方毫米的大脑中
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2:03 - 2:05约有十万个神经元
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2:05 - 2:08可能有十亿个连接
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2:09 - 2:10怎么可能进行研究
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2:10 - 2:13如果你能拉近神经元放大看
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2:13 - 2:15当然，你们看到的这个只是我们的艺术家做的图像
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2:15 - 2:20你会看到成千上万种的生物分子
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2:20 - 2:24这些立体3D、纳米级的结构共同作用
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2:24 - 2:27产生电脉冲
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2:27 - 2:31并交换化学物质，使神经元相互作用
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2:31 - 2:34以产生想法、感觉等等
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2:34 - 2:38我们不知道大脑中的神经元
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2:38 - 2:39是如何形成网络系统的
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2:39 - 2:42我们也不知道生物分子
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2:42 - 2:43是如何在神经元中
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2:43 - 2:45形成这复杂有序的机制的
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2:46 - 2:48如果我们真想理解这些问题
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2:48 - 2:50就必须有新的技术
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2:50 - 2:51如果我们可以做出图像
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2:51 - 2:54让我们看得到分子和神经元的构造
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2:54 - 2:56和神经元网络系统
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2:56 - 2:59也许我们能真正了解大脑是如何传送
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2:59 - 3:01来自感官区的信号
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3:01 - 3:02从而混合入情绪和情感
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3:02 - 3:05以产生决策和行动
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3:05 - 3:09也许我们可以确切查明
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3:09 - 3:10病变大脑中产生变化的分子
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3:10 - 3:13一旦我们弄清楚分子如何改变
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3:13 - 3:16不论是数目增加或是型态改变
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3:16 - 3:19我们可以把这些分子用来开发新药
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3:19 - 3:21用来发明新的把能量传送到大脑的方式
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3:21 - 3:25帮助受脑疾折磨的患者
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3:25 - 3:27修复它们脑中受损的地方
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3:28 - 3:31我们已经见证到，上个世纪有许多技术
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3:31 - 3:32都尝试要解決这个问题
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3:32 - 3:34我们都见过核磁共振成像仪
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3:34 - 3:36被用来扫描脑部
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3:36 - 3:40当然，这些仪器有不具侵入性
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3:40 - 3:42所以可用于活体研究
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3:42 - 3:45但是它们的成像却很粗糙
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3:45 - 3:48你可以看到的这些黄色块状物，或者立体像素
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3:48 - 3:50可能包含有数以百万计的神经元
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3:50 - 3:52这样的分辨率
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3:52 - 3:55仍不足以查明是哪些分子发生了变化
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3:55 - 3:57或哪些连接有了变化
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3:57 - 4:01正是这些使我们成为有意识的强大的生物
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4:02 - 4:05另一个极端的仪器是显微镜
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4:05 - 4:08显微镜利用光源来观察微小的东西
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4:08 - 4:11数百年来被用以观察像细菌这样的小东西
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4:11 - 4:13就神经科学来说
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4:13 - 4:16我们首次使用显微镜发现神经元
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4:16 - 4:17大约是在130年前
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4:17 - 4:20但"光"有极大的局限性
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4:20 - 4:23用普通的旧式光学显微镜人们无法看到单个分子
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4:23 - 4:25看不到这些微小的连接
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4:25 - 4:29所以，如果我们要用更强而有力的方法
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4:29 - 4:31来观察大脑的结构
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4:31 - 4:35我们需有更好的技术
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4:36 - 4:38几年前，我的研究小组开始思考
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4:38 - 4:39何不反向操作呢
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4:39 - 4:42如果想试着拉近距离去观察大脑这么费劲
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4:42 - 4:44我们为什么不把大脑变大呢
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4:44 - 4:45开始这个项目的是我组里的两个研究生
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4:45 - 4:48Fei Chen和Paul Tillberg
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4:48 - 4:51现在有更多人加入进来帮着做
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4:51 - 4:54我们决定要找出方法，尝试利用聚合物
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4:54 - 4:56就是婴儿纸尿裤中的那个材料
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4:56 - 4:58把它放在大脑中
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4:58 - 5:00如果做得恰到好处，再加入水
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5:00 - 5:02就可能把大脑放大到
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5:02 - 5:05足以把小分子个别地分辨出来的程度
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5:05 - 5:08这样你就可以看到脑中那些(神经元)连结的图像
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5:08 - 5:10这相当激励人心
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5:10 - 5:13我今天准备向各位演示一下
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5:14 - 5:16这有一些婴儿纸尿裤的原料
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5:16 - 5:18在网上直接买这个
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5:18 - 5:22比从纸尿布里提取少数原料要容易得多
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5:22 - 5:24我只放入一茶匙的
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5:25 - 5:26精致聚合物
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5:27 - 5:29然后加入一些水
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5:29 - 5:31接下来要做的
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5:31 - 5:34是看看这一茶匙的聚合物会不会
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5:34 - 5:35膨胀开来
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5:37 - 5:40现在，各位可以亲眼看到
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5:40 - 5:42它大约会膨胀一千倍
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5:50 - 5:52我可以继续加水
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5:52 - 5:53但大家肯定已经知道会发生什么了
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5:53 - 5:56这是一种非常有意思的分子
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5:56 - 5:58如果使用得当
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5:58 - 6:00我们就可以观察到
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6:00 - 6:03以前无法观察到的大脑细节
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6:03 - 6:05好了，讲化学时间到
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6:05 - 6:08纸尿裤里的聚合物发生了什么呢
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6:08 - 6:09如果你能拉近放大来看
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6:09 - 6:12可能就像你现在在屏幕上看到的
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6:12 - 6:17这个聚合物正是由原子排成的众多细长的链条组成
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6:17 - 6:18这些链条非常微小
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6:18 - 6:20大约是一个生物分子的宽度
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6:20 - 6:22而且这些聚合物非常密集
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6:22 - 6:23它们之间的距离
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6:23 - 6:26大约是一个生物分子的大小
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6:26 - 6:27这非常好
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6:27 - 6:30因为我们就可能把大脑每一部分都分解开
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6:30 - 6:32如果再加入水
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6:32 - 6:34这个会膨胀的物质会吸收水分
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6:34 - 6:37聚合物链条彼此间的距离就会拉远
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6:37 - 6:39整个体积就会变得更大
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6:40 - 6:41由于这些链条是如此的渺小
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6:41 - 6:44而且原本的间距只有一个生物分子那么一丁点大
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6:44 - 6:46所以我们可能令让大脑膨胀
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6:46 - 6:47大到足以被观察
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6:48 - 6:49需要解决的一点是
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6:49 - 6:53我们要如何把聚合物链置入大脑中
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6:53 - 6:55让我们得以拉开生物分子的间距呢
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6:55 - 6:56如果做得到
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6:56 - 6:59或许我们就能得到大脑图的实况
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6:59 - 7:00观察到大脑的连接系统
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7:00 - 7:03及里面的分子状况
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7:04 - 7:06我们准备了一个动画视频来解释这一点
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7:06 - 7:09在这个艺术家的作品中，我们可以看到
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7:09 - 7:13生物分子的样貌和我们如何把它们分开的情况
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7:13 - 7:15步骤一：首先我们要做的是
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7:15 - 7:19在每一个棕色的生物分子上
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7:19 - 7:21粘上一个小锚，小把手
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7:21 - 7:24想要把大脑中分子之间的距离拉远
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7:24 - 7:26我们需要利用这些小把手
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7:26 - 7:29让聚合物和分子连接起来
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7:29 - 7:30因此让聚合物产生效应
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7:31 - 7:34如果只把尿布中的聚合物直接倒在大脑上
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7:34 - 7:36很显然，它们就只会堆在上面而已
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7:37 - 7:39因此，我们需要找个方法让聚合物进到大脑里面去
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7:39 - 7:41在研究过程中我们特别幸运
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7:41 - 7:43发现我们可以利用一些建筑块
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7:43 - 7:44一种被叫做"单体"的东西
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7:44 - 7:46如果把它们放到大脑里面
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7:46 - 7:48它们就会触发化学反应
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7:48 - 7:51然后在大脑组织里
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7:51 - 7:53形成细长的链条
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7:53 - 7:56这些链条会缠绕住生物分子
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7:56 - 7:57也会占住生物分子间的空隙
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7:57 - 7:59形成复杂的网络
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7:59 - 8:02最终，这可以使
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8:02 - 8:03大脑中的分子被拉开
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8:03 - 8:06在有小把手的地方
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8:06 - 8:09聚合物就会粘住这些把手
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8:09 - 8:12正好可以成为拉开分子的施力点
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8:12 - 8:13好吧，讲到关键时刻
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8:13 - 8:16我们得先用化学物质处理样本
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8:16 - 8:19让分子彼此分散开
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8:19 - 8:21然后加水
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8:21 - 8:24这个会膨胀的材料开始吸收水分
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8:24 - 8:26聚合物链条会移动开来
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8:26 - 8:28这一次，生物分子也会跟随着一起移动
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8:28 - 8:31就像一个被画了图画的气球
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8:31 - 8:32如果被吹大
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8:32 - 8:33气球上的画还是同一幅画
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8:34 - 8:36但是上面的颜色分子间的距离被拉大了
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8:36 - 8:40这正是我们所做的，不过是在三维空间里
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8:40 - 8:42还有最后一个点
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8:42 - 8:43如你所见
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8:43 - 8:45我们把所有的生物分子都标成棕色
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8:45 - 8:47这是因为他们看起来都差不多是一样的
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8:47 - 8:49生物分子由相同的原子组成
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8:49 - 8:52只是顺序有差异
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8:52 - 8:53最后，我们还要做一件事
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8:53 - 8:55来把他们辨别出来
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8:55 - 8:56我们需要利用发光的染料
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8:56 - 8:59作为区分他们的标示
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8:59 - 9:02所以某一种生物分子可能会被标成蓝色
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9:02 - 9:04而另一种会被标成红色
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9:05 - 9:06等等
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9:06 - 9:07这就是最后一步
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9:07 - 9:10如此，我们就可以观察到大脑
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9:10 - 9:11和一个个不同的分子
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9:12 - 9:14因为我们已经把分子拉得足够开
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9:14 - 9:16可以对它们进行分辨
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9:16 - 9:19我们愿望是把不可见的变成可见的
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9:19 - 9:21把小而模糊的东西放大
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9:21 - 9:23并且不停地放大
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9:23 - 9:26直到它们看起来像是生命信息的星座图
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9:26 - 9:28这个视频正可以展现这个过程
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9:28 - 9:31碟里放着一個小小的脑
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9:31 - 9:32实际上是一片脑标本的切片
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9:32 - 9:34我们已在里面注入聚合物
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9:34 - 9:35现在要加水
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9:35 - 9:38你们现在看到的
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9:38 - 9:40是以加快了60倍速度放映的视频
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9:40 - 9:43这小片脑组织将会胀大
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9:43 - 9:46它的体积将会胀成百倍或更大
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9:46 - 9:49最牛的是，因为聚合物是如此渺小
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9:49 - 9:51我们能均匀地分开这些生物分子
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9:51 - 9:53这个过程会缓慢有序地进行
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9:53 - 9:56而且信息的型态不会失真
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9:56 - 9:58我们只是把它变得更容易被观察
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9:59 - 10:02现在我们可以取一个真实的大脑神经组织
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10:02 - 10:05例如这片与记忆有关的部分
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10:05 - 10:06拉近放大后
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10:06 - 10:09就可以看到实际的神经电路构造
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10:09 - 10:11也许有一天我们能读出一段记忆
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10:11 - 10:14也许我们能看到大脑在处理情绪的过程中
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10:14 - 10:15脑神经的回路状态
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10:15 - 10:18以及脑内的神经是如何连结的
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10:18 - 10:20正是这些决定了人与人思想之间的区别
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10:20 - 10:22当然我们也更希望
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10:22 - 10:26能在脑分子层面上分析出脑部病变的原因
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10:26 - 10:28试想，假如我们真的深入到大脑细胞里
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10:28 - 10:31发现原来大脑组织中的有17个分子发生了病变
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10:31 - 10:35所以病人患了癫痫
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10:35 - 10:36或者帕金森氏综合症
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10:37 - 10:38以及其它疾病，那就太好了
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10:38 - 10:41如果我们能有系统地把这些变异列表
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10:41 - 10:43这就会变成我们治疗的目标
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10:43 - 10:45我们可以针对那些目标来制药
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10:45 - 10:48或许我们能集中精力研究不同的大脑部位
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10:48 - 10:50以帮助世界各地
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10:50 - 10:53患有帕金森症、癫痫病
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10:53 - 10:55或其他病症的十亿人口
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10:55 - 10:57有一种有意思的现象正在发生
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10:57 - 11:00原来，这个方法对整个生物医药界的研究
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11:00 - 11:03也许都能帮得上忙
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11:03 - 11:06这是来自一个乳腺癌患者的活体标本
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11:07 - 11:09实际上，癌症
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11:09 - 11:10免疫系统
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11:10 - 11:13老化，生长
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11:13 - 11:17所有这些过程都与大规模的生物系统有关
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11:17 - 11:21当然，问题是从纳米级的分子开始的
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11:21 - 11:25这些分子正是引发细胞和器官活动的机器
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11:25 - 11:27我们目前正在试着理清
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11:27 - 11:30是否真的能用这个技术描绘出
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11:30 - 11:33各式各样疾病中基础生命结构组成的脉络
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11:33 - 11:36我们能否精确地看到肿瘤的分子变化
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11:36 - 11:38从而更有效地应对
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11:38 - 11:42并将药物直接传送到我们想要的位置内呢
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11:42 - 11:44要知道，很多药物的风险非常高
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11:44 - 11:46有的药物并未被确定真正有效
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11:47 - 11:51我希望我们不只以高风险的登月思维做事
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11:51 - 11:52而是发现更可靠的方式
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11:52 - 11:54如果仔细想想我们的登月计划
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11:54 - 11:56宇航员登陆月球的壮举
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11:56 - 11:58是基于扎实的科学研究的
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11:58 - 11:59我们通晓重力
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11:59 - 12:01通晓空气动力学
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12:01 - 12:02知道如何建造火箭
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12:02 - 12:05科学的风险在我们的掌控之中
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12:05 - 12:07至今，登月仍是个伟大的工程壮举
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12:07 - 12:10但在医学上，我们未必有定律可循
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12:10 - 12:13我们未必能研究出类似重力
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12:13 - 12:16和类似空气动力学的所有定律
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12:16 - 12:17我认为，以我今天所谈论的技术
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12:17 - 12:19也许某天我们真的能够
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12:19 - 12:21导出那些定律来
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12:21 - 12:24我们能描绘和测绘生命系统的模型
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12:24 - 12:28找出方法来克服困扰我们的疾病
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12:29 - 12:32我妻子和我有两个年幼的孩子
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12:32 - 12:35身为一个生物工程学家，我有个心愿是
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12:35 - 12:37希望孩子们未来的生活能比目前我们的更美好
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12:37 - 12:40我希望我们能把生物学和医学的研究
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12:40 - 12:45从偶然和运气支配又高风险的努力
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12:45 - 12:49转向以技艺和勤奋支配却真正有效的工作
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12:49 - 12:51那么这将是一个巨大的进步
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12:51 - 12:52非常感谢
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12:52 - 13:02（掌声）
- Title:
- 由婴儿尿布所启发的大脑研究新法
- Speaker:
- Ed Boyden
- Description:
-
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神经工程学家Ed Boyden想要了解，我们脑中微小的生物分子是如何让我们产生情绪，思想和情感的；想要了解是怎样的生物分子变化导致了像癫痫和老年痴呆症这样的疾病。与其通过显微镜来观察这些几乎看不到的构造，他在想：可不可以将这些构造放大，然后进行观察？让我们来看看，他是怎样使用纸尿裤中含有的聚合物来更好地研究我们的大脑。
- Video Language:
- English
- Team:
closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:15
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