腦科學技術達人KarlDeisseroth

　　Karl Deisseroth一次又一次地用他發明的新技術在腦科學(brain science)發展史上刻下了自己的大名。

　　Karl Deisseroth在2004年有了第一個完全屬于他的實驗室，后來他發現那間實驗室的前主人竟然是諾貝爾物理學獎得主朱棣文(Steven Chu)。“我搬進實驗室的時候，朱棣文的名字還掛在實驗室的門上。”美國加利福尼亞州斯坦福大學(Stanford University in California)的神經科學家Deisseroth回憶說。沾名人的光總是有好處的，后來有一位化學系的學生Feng Zhang拜訪朱棣文時，Deisseroth居然用盡花言巧語把他給留了下來，“雖然Zhang沒聽說過我，可是我讓他對我的課題產生了興趣。” Deisseroth得意地說道。

　　Deisseroth現在可是科學界的大牛之一了。有兩項意義重大的技術都與Deisseroth有關，有了這兩項技術，科學家就可以研究大腦中復雜的神經通路(circuit)是如何控制我們的行為的了。據Deisseroth介紹，他之所以開發這兩項技術是因為想要認識和了解精神疾病(psychiatric disease)的發病機制，同時也是因為這方面的技術還非常匱乏，他想要填補這方面的空白。“情況非常清楚，如果要在精神疾病研究領域有所進展，我就必須花時間開發出一些新技術。”

　　Deisseroth說話緩慢但是很有節奏，為人輕松、閑適，這幾乎讓我們都忘記了他們實驗室開發的技術都是和神經科學相關的。首先讓我們來了解一下光遺傳學技術(optogenetics)。該技術源自一種藻類(algae)蛋白，這種蛋白對光線非常敏感，將該蛋白插入神經元細胞之后就相當于在神經細胞當中安裝了一個開關，科研人員可以通過是否給予光照刺激的方法打開或者關上這個開關，通過這種方式對細胞進行調控。實驗室建立不久，Deisseroth就和研究生Zhang，以及當時與他保持密切合作關系的Edward Boyden一起成功地開發出了這種技術。很快，光遺傳學技術就得到了全世界科學家的認可，被大家廣泛采用，比如應用于對某種特定種類的神經元細胞的功能開展研究，也被應用于對抑郁癥或自閉癥患者神經通路異常情況的研究等。Deisseroth都數不清有多少課題組在使用他們開發的這項技術了，據他介紹，他們給數以萬計的實驗室都贈送過克隆。

　　現在，繼發表了與新技術(名為CLARITY)相關的論文之后，Deisseroth的實驗室又在全力以赴地為了這項新技術而努力沖刺。該技術通過化學處理方法可以讓整個大腦變得“透明”，這樣科研人員就可以對大腦的結構進行非常精細的三維立體觀察，有助于了解大腦各部結構與各種大腦功能之間的關系，將大腦各個解剖結構與腦功能一一對應、并聯系起來。Deisseroth在美國斯坦福大學攻讀博士學位期間的導師，神經解剖學家Richard Tsien評價道：“我認為該技術能夠讓我們更清楚地認識大腦里各解剖結構、神經通路，及其功能之間的關系。”

　　Deisseroth敢于冒險，他鼓勵他的科研團隊合作完成同一件工作，他總是喜歡將擁有各個不同專業背景的人聚集在一起，也喜歡將多個不同的研究領域“強扭”在一起。美國華盛頓州西雅圖市Allen腦科學研究所(Allen Institute for Brain Science in Seattle, Washington)的首席科學家Christof Koch就認為，Deisseroth的成功正是得益于他這種廣泛的興趣和愛好。但是Deisseroth也有他非常專一的一面，對開發新技術、新工藝有一種非同一般的專注，據他自己介紹，這是出于滿足他作為一名精神科醫師(psychiatrist)的工作需要。雖然Deisseroth對于他們實驗室開發的新技術也感到非常的興奮，但是對于這些技術，他自己卻不能夠玩得非常轉，所以他也只好無奈地聳聳那副寬肩膀承認他可沒法像喬布斯那樣做一個好的演示者。

　　細胞控制

　　目前在美國紐約大學Langone醫學中心(New York University’s Langone Medical Center)工作的Tsien在第一次遇見Deisseroth時就對Deisseroth那種堅定的信念留下了極為深刻的印象，據他回憶，那是一次不同尋常的會面，當時Deisseroth是來斯坦福大學參加面試的，有點害羞，還告訴Tsien他來斯坦福就是想和Tsien一起工作。那還是1993 年，當時Tsien的實驗室已經有很多人了，可是Deisseroth還是堅持要來，并且最終也說服了Tsien。作為Deisseroth攻讀醫學博士學位期間的一部分工作，當時Deisseroth在Tsien的實驗室里開展的主要工作是研究神經元細胞的鈣離子通道(calcium channel)。2000年，Deisseroth博士畢業之后面臨了一個選擇，一是以博士后的身份去斯坦福大學神經科學家Robert Malenka的實驗室里繼續這項研究工作，或者是到斯坦福大學醫學院做一名精神病科住院醫師。

　　“可是當我開始精神病科住院醫師的臨床輪轉工作之后，我發現一切都和我想象的不一樣。我們這兒的病人外表看起來可以非常正常，他站在你面前，你完全看不出他哪里有問題，可是他們的腦子里卻是另外一個世界。那時，我才意識到這個問題是多么的難以研究，對我們這些醫生來說，大腦里的世界實在是隱藏得太深了。” Deisseroth介紹道。

　　Deisseroth認為光對著在培養皿里的神經元細胞來研究抑郁癥或者是焦慮癥是遠遠不夠的，因為大腦只有作為一個整體才會表現出能夠指導人類行為的復雜、精細的功能，當然也只有大腦出了問題，才會讓我們患上精神疾病。可是當時能夠對人體，或者模式動物的全腦進行研究的技術還只能夠簡單地判斷大腦是否在工作。

　　于是Deisseroth決定開發一種全腦研究、控制技術。他說道：“我和很多人都進行了非常深入的討論。”在Deisseroth擔任住院醫師期間，他遇到了和他志同道合的博士生Boyden。他們也討論了多種控制單個神經元細胞的技術，作為他們的次要工作。“那是一次非常冒險的合作，充滿了未知性。” Boyden這樣說道。

　　其中有一個方案就是使用光線來控制神經元細胞的活性。Boyden和Deisseroth均對視蛋白(opsins)這種對光線敏感的離子通道蛋白(light-sensitive channel protein)比較熟悉，這種蛋白有多種功能，其中藻類就是利用這種蛋白來產生能量的。當時包括Tsien的兄弟、美國加州大學圣地亞哥分校(University of California, San Diego)的Roger在內的多個課題組都在研究如何將這種視蛋白插入到神經元細胞的細胞膜上。據Deisseroth介紹，他們當時的問題就是趕緊找到研究生，開始干活。2004年，Deisseroth終于有了他自己的實驗室，于是他立馬就行動起來了。

　　在2004年的7月，Deisseroth就成功地讓神經元細胞在細胞膜上表達出了視蛋白。Deisseroth實驗用的細胞是從Malenka那獲得的，試驗記錄設備是找Richard Tsien借的，就這樣，他和Zhang以及Boyden一起進行了試驗。Boyden回憶說：“第一次試驗的效果就很不錯了。當時感覺就像中了大獎一樣。”

　　第二年，Deisseroth獲得了美國國立健康研究院(NIH)的資助，這讓他后面的科研工作有了保障。在此之前，Deisseroth也碰過很多次壁，因為據美國馬里蘭州貝塞斯達的美國國立精神衛生研究所(US National Institute for Mental Health in Bethesda, Maryland)的所長Thomas Insel介紹，與原理驗證類的研究工作(hypothesis-driven projects)相比，開發新技術這種科研項目一般都很難獲得資助。Insel的美國國立精神衛生研究所就是第一個給Deisseroth的光遺傳學項目提供美國聯邦政府資助的單位。“當時人們還很難理解Deisseroth工作的意義和重要性。” Insel說道。

　　不過就在2005年Deisseroth發表論文介紹了這項技術之后不久，神經科學家很快也意識到了這項新技術的潛在價值。那也是 Deisseroth發表的第一篇比較有份量的文章，介紹了他們在體外培養的細胞上使用視蛋白進行的光遺傳學研究成果。有了這項技術，科研人員就可以對某一類神經元細胞進行刺激，看看這些細胞會做出什么樣的反應，當然也可以對整個生物體進行刺激，看看它們會如何表現。很快，全世界對這項技術的需求就如潮水般地向Deisseroth涌來。

　　這項技術被應用到了很多方面，其中就包括對神經干細胞發育問題的研究，以及促使小鼠記起久遠的恐懼回憶的研究(Nature 465, 26–28; 2010)等工作。Deisseroth的課題小組一直都非常關注精神疾病問題，他們使用鼠動物模型研究了大腦中與焦慮情緒(anxiety)有關的神經回路，結果發現了一個神經中樞。該神經中樞能夠控制多種不同的臨床表現，比如呼吸頻率加快、驚恐，以及不舒適等感覺。Deisseroth等人用多巴胺(dopamine)這種神經遞質對小鼠的神經元細胞進行了調控試驗(激活或者抑制小鼠神經元細胞的活性)，以此來觀察這些神經元細胞與抑郁癥臨床表現之間的關系。他們也利用光遺傳學技術成功地幫助試驗大鼠戒斷了對可卡因的“毒癮”。據Deisseroth介紹，他們取得的這項戒毒工作成果有助于其他科學家開發出比目前在臨床上常用藥物的成癮性更低的抗焦慮藥物，因為他們發現可以只針對焦慮信號通路進行干預治療，不需要觸及獎勵信號通路(reward circuitry)。

　　2006年，Boyden也在美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology in Cambridge)擁有了屬于他自己的實驗室。當時盛傳他和Deisseroth的關系出現了問題，不過他們倆都沒有對此發表評論。2007年，這兩個實驗室也各自發表了與嗜鹽菌視紫紅質蛋白(halorhodopsin)相關的文章。嗜鹽菌視紫紅質蛋白是一種具備斷開功能的視蛋白，Boyden和 Deisseroth之前曾經一起研究過這種蛋白。Zhang介紹說：“在Ed在《自然》(Nature)雜志上發表那篇文章之前，我們一直都不知道他也在從事這方面的研究工作。” Boyden也說道：“大家都知道，在任何一場競爭中，每個人都想做第一。”

　　這場風波有可能給Deisseroth造成了影響，他現在不再那么容易信任他課題組的成員，以及來他這里接受培訓的人員，尤其是事關CLARITY 技術的相關事宜。介紹CLARITY技術那篇論文的第一作者Kwanghun Chung介紹說：“關于是誰第一個想到了這個點子的問題，Karl非常敏感。” Deisseroth一直以來都夢想能夠看穿大腦，可是最后是Chung發現了這種神奇的化學藥物，所以CLARITY技術算是他們倆共同發現的。

　　看得更清楚

　　通常我們在研究大腦的精細結構時都會先將大腦組織切成一片片非常薄的腦組織切片，然后在顯微鏡下對這些切片進行觀察，再將不同切片的圖像重新重疊在一起，最后得到立體的結構信息，這種方法費時費力，而且還不夠精確。為了解決這個問題，Deisseroth一直在尋找一種能夠讓大腦變得透明的化學手段。我們都知道，神經元細胞里的某些組份，尤其是脂質成份是不透光的，所以如何在保證大腦結構不被破壞的前提下去掉這些不透光的成份就是解決問題的關鍵。這與光遺傳學技術完全不同，所以Deisseroth找到了擁有化學工程學背景的Chung，這也再一次體現出了Deisseroth勇于冒險的特質，他說道：“我還記得，當時大家都想不透我為什么要招Chung，不知道我要干什么，不知道我們實驗室要干什么，因為化學和我們之前開展的遺傳學研究是完全不同的兩個方向，這簡直就是180度的大轉彎。”

　　最開始，Deisseroth想往神經元細胞里注入一種原料，使細胞固定，然后去除細胞外的組織，得到透明的大腦。可后來發現，這種方法很難得到一個穩定的細胞結構，但是可以很容易地得到細胞外結構。

　　然后他們又嘗試了幾種細胞骨架材料(scaffolding material)，比如角蛋白(keratin)和纖維素樣結構(cellulose-like structure)，最后才確定了水凝膠(hydrogel)這種材料，水凝膠是一種主要由水構成的凝膠，已經被廣泛地應用于生物學研究工作當中。 Deisseroth等人發現，水凝膠骨架可以很好地與神經元細胞組份，包括蛋白質、神經遞質、DNA、RNA等結合。將細胞結構鎖定之后，再用SDS這種去垢劑洗去細胞上的脂質成份，這樣就能得到一個透明的腦組織結構(Nature 496, 151; 2013)。

　　介紹CLARITY技術的文章發表還不到一個禮拜的時間，Deisseroth就接到了幾十份咨詢郵件。Deisseroth在介紹當時情況的時候這樣說道：“我們非常的……，讓我想想用什么詞來形容比較好，免得你們誤會，以為這些信件當時給我們的工作帶來了什么麻煩。”最后Deisseroth用了“傾泄而出”這個詞來形容當時他們收到的郵件量。

　　據Insel介紹，CLARITY技術和光遺傳學技術一樣，也讓世人震驚了。Insel說道：“一般人如果在事業剛起步階段就像 Deisseroth那樣做出了光遺傳學技術這樣的成績，那他們今后肯定就會躺在功勞簿上睡大覺了。可Deisseroth卻沒有這樣，他會繼續朝著新的目標前進，所以才又有了CLARITY技術。”

　　很多研究人員都根據自己的試驗需要對CLARITY技術進行了相應的調整和改造。比如美國密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(Washington University in St. Louis, Missouri)的神經科學家David Van Essen就對大腦里的白質(即神經組織里主要由軸突組成的那個部分)比較感興趣，他就檢測了CLARITY技術對于白質研究的應用潛力。該技術將幫助他們課題組研究大腦不同區域之間的聯系模式。

　　美國馬薩諸塞州布蘭迪斯大學(Brandeis University in Waltham, Massachusetts)的神經科學家Eve Marder認為，將CLARITY技術和光遺傳學等技術聯合起來，或者在行為學研究工作中使用CLARITY技術分析行為背后的大腦結構基礎，這些研究工作都會為科學家們提供大量有價值的信息，幫助他們了解和認識全腦的功能。但是對全腦這樣的大型神經系統進行比較細致的研究還是存在很大難度的。 Marder通常也只是對30個左右的神經元細胞組成的簡單神經回路開展研究，據她介紹，即便是這么小規模的一個“系統”，細胞之間不同的排列方式都會導致系統可能出現的個數呈指數增長。“對于那些有志于研究更大規模神經系統的科研人員，我個人建議他們應該注意吸取我們這些人的經驗和教訓。” Marder這樣建議道。

　　CLARITY技術也給臨床工作帶來了一線曙光。在一篇介紹CLARITY技術的論文中，科研人員用這種方法對一位七歲大的自閉癥男孩的腦組織進行了分析。結果發現，在這名患兒大腦皮質部分里的神經元細胞像梯子一樣地聚集在一起，可是正常情況下這些細胞應該是形成分支狀的結構。在對自閉癥動物模型的研究工作中也曾經發現過類似的情況，不過有了CLARITY技術，我們就可以更方便地對人類大腦組織進行觀察，發現其中的異常情況。

　　高風險與高回報

　　Deisseroth的辦公室和他大部分的實驗室現在還是在他2004年剛剛在斯坦福大學擁有第一間實驗室的那棟大樓里。不過現在他的科研團隊已經有35個人了，他也有了好幾處實驗室。Deisseroth的實驗室里放了很多小玩意，就和技術宅的臥室差不多。他的實驗室在大樓的最底層，這里沒有自然光，不過Deisseroth卻無所謂，因為這棟大樓的減震設計做得非常好，這一點對于離不開精細顯微鏡的Deisseroth來說至關重要。

　　現在在Deisseroth的科研團隊里有計算神經科學家、有醫學家、化學家和工程師，匯聚了各個方面的人才。Deisseroth去年還拿到了美國國立健康研究院的轉化研究大獎(Transformative Research Award)，獎金高達2250萬美元，他更加可以毫無顧忌地開展任何研究了。Deisseroth指出，他這里有各種人才，有高風險的研究項目，也有低風險的研究項目，所以他的配置是非常合理的。

　　在所有高風險的研究項目中有一項就是使用光場顯微鏡(light-field microscopy)對大腦進行成像。所謂的光場顯微鏡可以同時從各個角度記錄圖像。與此同時，Chung和Viviana Gradinaru則嘗試在神經元細胞內構建水凝膠結構，他們希望用這種方法保持特定細胞構成的組織結構，或者將某種神經元細胞全都固定住，亦或將所有表達某種基因的細胞全都固定住等。當然，Deisseroth的課題組也沒有停止光遺傳學方面的工作，還在繼續完善這項技術，比如開發新的視蛋白，開發新的光束控制方案等。

　　Deisseroth已經擴大了他的實驗室，以方便前來學習的科研人員。在2010至2012年間，大約有200多人來Deisseroth的實驗室學習光遺傳學技術和CLARITY技術。據Van Essen介紹，Deisseroth的實驗室干的就是自耕農的工作，他們就是要努力推廣這些技術。所有的工具都可以免費獲得，雖然斯坦福大學已經就某些方面申請了ZL，但那是為了保證大家都可以免費使用這些技術。而且Deisseroth也沒有從中賺取一分錢。

　　Deisseroth在進行緊張的科研工作的同時也沒有放棄他的另外一份工作——精神科醫師。他現在還掌管著一家精神病診所，每周都會去接診，他現在的日程表已經排得非常滿了，他在盡力平衡各種工作。他依舊認為他的研究工作最終會對臨床醫學起到不可替代的促進作用。他表示，對于某些精神疾病，他們現在就可以幫助很多患者，可是還有一些精神疾病是他們現在束手無策的。所以還需要繼續開展科學研究，解決這些問題。

　　簡單、無拘無束的好奇心支持著Deisseroth在科學的道路上繼續前進。“我認為所有的科學家對這個大千世界都有那么一點好奇心。他們不僅想知道這個世界是什么樣的，還想知道這個世界為什么是這樣的。” Deisseroth這樣總結道。