大鼠光遗传

『壹』 小鼠和大鼠在生物学中的主要应用价值有哪些

做实验

原因：第一：老鼠中的小白鼠的基因序列和人类的差不多，它的全基因组和人类的相似度极高，很多人类难以治愈的疾病可以在小白鼠身上找到相似性状，从而加以实验发现治病基因。

第二：实验专用白鼠的生物学意义较大，培育出的小鼠几乎完全没有个体差异(生理上)。生理上没有个体差异是否意味着气质上没有差异尚不明了，不过选择纯系实验白鼠主要还是为了尽可能的减少先天的个体差异。

第三：数量充足，许多实验需要统计学分析，这就要求一定的数量，大白鼠和小白鼠，特别是小白鼠，在人工繁殖条件下，能满足这一要求。还有动物等级，小白鼠好歹也是哺乳动物，除了体形小，与其它哺乳动物的进化水平相比并不差。体形小反而成为人工繁殖喂养的有利条件。

第四：其实很多实验用猩猩等与人更近似的动物做最好，但使用猩猩太昂贵了。许多实验，比如认知类的，实验结束后时需要将动物杀死，来检查其内部变化的。这样，大量的实验肯定就不能用比较“贵重”的猩猩了。

第五：由于这种大型的哺乳动物受到动物保护协会的保护。那么多不“人道”的实验也就受到限制了。即使用的是小白鼠，动协的人仍然有抗议呢。

第六：一些实验用不着那些大型的，复杂的动物来做。

『贰』 当我们在睡觉的时候，脑子还会保持思考吗

睡眠是我们日常生活的必需品，占了将近1/3的时间。有句玩笑话，睡觉是一门艺术，睡不好是你白白糟蹋，睡得好说不定还能梦到元素周期表。虽然睡觉时我们身体基本不动，但并不代表大脑也在休息，相反，大脑活动的复杂性和协调性超乎想象！

艾伯塔大学神经系统科学家们发现了一种在深度睡眠中有效帮助记忆的机制：大脑的核重聚体（nucleus reuniens，RE）可有效协调大脑中与记忆有关的两个脑结构——内侧前额叶皮质（medial prefrontal cortex，mPFC）和海马体（hippocampus，HPC），换句话说，睡眠期间的大脑活动可能有助于记忆的持久性。

该研究第一作者Hauer补充道，RE可能对睡眠依赖的记忆巩固有显著的影响，因此，如果你为了考试而努力学习，紧接着去睡觉，你可能得感谢RE把这些知识变成了更永久的记忆。

『叁』 吡非尼酮的注意事项

(1)在本品的临床试验中发现本品可以改善轻到中度特异性肺纤维化患者的肺功能指标，但是尚未发现本品可以逆转肺纤维化，故重度特异性肺纤维化患者应用本品可能无法受益。
(2)本品可能导致严重的光敏反应，长期暴露在光线下，有导致皮肤癌的可能。使用时要事先对患者进行详细说明。应使用防晒霜，尽量避免暴露接触紫外线，如出现皮疹，瘙痒，及时联系医生。
(3)尽量避免合并使用其他药物，如四环素抗生素类药物（多西环素）等，因其可增加光敏反应的机率。
(4)应用本品会发生嗜睡.头晕等相关情况，因此使用本药的患者不要驾车或者从事危险的机械操作。
(5)由于肝功能的损害可引起ALT,AST等的升高和黄疸，服用本品期间要进行定期的肝功能检查
(6)由于胶囊配方中有乳糖成分，建议糖尿病患者服用前咨询医生。
(7)动物试验表明本品能透过血脑屏障，建议发作性脑部疾病患者（局灶性兴奋或发作性睡眠）服药前咨询医生。
(8)吸烟可减低本品疗效。
(9)服药期间请勿服用葡萄柚汁，可干扰吡非尼酮的疗效。

『肆』 光遗传学的应用

光遗传学研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉，视觉，触觉，听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。
光遗传技术--21世纪神经科学领域最引人注目的革新！
光遗传学（optogenetics）是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等）转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。
光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点，克服了传统手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学领域的研究状况，为神经科学提供了革命性的研究手段。光遗传技术在将来还有可能发展出一系列中枢神经系统疾病的新疗法。
光遗传学技术的应用在2010年后得到飞速的发展，应用研究领域涵盖多个经典实验动物种系（果蝇、线虫、小鼠、大鼠、绒猴以及食蟹猴等），并涉及神经科学研究的多个方面，包括神经环路基础研究、学习记忆研究、成瘾性研究、运动障碍、睡眠障碍、帕金森症模型、抑郁症和焦虑症动物模型等应用。

『伍』 徐林的研究方向

主要从事神经可塑性和神经环路功能及学习记忆机理研究，涉及创伤后应激障碍、老年痴呆、毒品成瘾及抑郁症等疾病机理和动物模型的基础和应用研究。研究技术方法主要涉及行为药理学，离体脑片patch-clamp全细胞记录、麻醉动物和清醒动物场电位记录、多通道神经信号记录以及光遗传学。团队特色主要在于充分利用云南省丰富多样的生物资源优势，围绕各种神经精神疾病动物模型进行疾病机理、新药筛选和药效学研究，逐渐形成具有技术特色和资源优势相结合的、基础与应用研究并重的学科团队。
具有代表性的研究进展：
1. 记忆与突触可塑性：发现新颖探索学习逆转海马突触效能长时程增强(LTP)(Nature, 1998)。光-电刺激恐惧记忆的建立和提取，可级量化地反映在海马LTP/LTD上(Hippocampus, 2005)。单氨类5-HT和dopamine调控恐惧记忆的持续性（PNAS 2008；Hippocampus 2009）。首次发现了输入通路间相互作用导致的突触可塑性（input time dependent plasticity, ITDP）(PLos ONE, 2008)。
2. 应激与突触可塑性：发现应激易化海马突触效能长时程降低(LTD) (Nature, 1997)，其效应依赖于糖皮质激素受体介导的翻译和转录(PNAS, 1998)。应激增强幼年，但损伤成年和中老年动物的记忆能力(J Endocinol, 2003)。海马神经细胞辣椒素受体具有很好的抗应激效果，可能是一个很好的抗应激、治疗焦虑和抑郁症的新药物靶点(Biol Psychiat, 2008)。
3.成瘾与突触可塑性：单独吗啡注射导致LTP，但吗啡注射和应激共同作用导致LTD；同时吗啡和应激共同作用导致强烈的、不消退的毒品寻求行为(J Neurosci, 2004)；长期慢性吗啡注射还可通过损伤腺苷转运体的转运功能，导致突触间隙内腺苷含量升高而损伤LTP，并且导致正常记忆功能受损(J Neurosci, 2010)；抑郁症和毒品成瘾可能存在着共同的神经通路 (Physiol Behav, 2011)。
4. 创建新型的动物模型：建立了Morris水迷宫的延缓逃避任务用于研究吗啡介导的强迫性毒品寻求行为；利用灵长类近亲树鼩，建立了一次性被捕获学习记忆模型；慢性社会竞争失败病因学抑郁症模型。利用大鼠建立了睡眠剥夺、持续黑暗病因学抑郁症模型。
主要从事神经可塑性和神经环路功能及学习记忆机理研究，涉及创伤后应激障碍、老年痴呆、毒品成瘾及抑郁症等疾病机理和动物模型的基础和应用研究。研究技术方法主要涉及行为药理学，离体脑片patch-clamp全细胞记录、麻醉动物和清醒动物场电位记录、多通道神经信号记录以及光遗传学。团队特色主要在于充分利用云南省丰富多样的生物资源优势，围绕各种神经精神疾病动物模型进行疾病机理、新药筛选和药效学研究，逐渐形成具有技术特色和资源优势相结合的、基础与应用研究并重的学科团队。

『陆』 大脑内分泌与犯罪有什么关联

人的内分泌系统的状态决定着人的情绪和欲望，如男性激素分泌过量可以导致性欲、攻击和好斗性行为发生，女性荷尔蒙激素的变化可以造成急燥易怒，精神紧张，神经质以及使犯罪的可能性显著增加。

『柒』 大脑连上AI，我们就可以“不死不灭”吗

2016年7月，太空探索技术公司（SpaceX）以及特斯拉汽车公司（Tesla）的创办者伊隆·马斯克（Elon Musk）又创办了一家新的高科技企业——神经联结公司（Neuralink），开发可植入的脑机接口，不过这一消息直到2017年3月才为公众所知。

真要对每个脑神经元都建立起“微观层面的电极-神经元接口”，不仅要考虑到脑中庞大的神经元数量（800亿以上），还要考虑当前的技术极限——仅能在脑内安置几百个电极，每个电极一次最多同时测量大约五百个神经元。这样算下来，要想同时测量800亿个神经元是不可能的。所以，能同时记录的神经元数（马斯克称之为“带宽”）就成了全脑接口的瓶颈。

Neuralink计划遇到的第二个困难是如何把电极植入脑内。目前所有无创记录脑活动的技术，要么空间分辨率方面很差，远远达不到记录单个神经元活动的层次，要么时间分辨率极差，不能实时记录变化迅速的脑活动（图2）。不用说单神经元记录，即使是少量神经元记录，目前的技术都需要带有创伤性的开颅手术，而这只有当病人面临生命危险时才可能接受。但是Neuralink的长远目标是人机融合，这就要求健康人也接受开颅手术。如此一来，安全问题就成了一大障碍。另外，颅内植入手术价格昂贵，而且只有技术高超的神经外科专家才能做，故而难于普及。按照马斯克的设想，这种技术应该和激光矫正近视眼一样方便才行。

脑活动记录主要技术的时间分辨率和空间分辨率。

即使克服了上述两大瓶颈，Neuralink也还面临着其他严重阻碍：脑机之间的交流应该是无线的；植入物需要具有良好的生物相容性，不引起排异反应，而且能在脑内环境长期使用；如何在有限的颅内空间安置大量电极；如何实时处理海量数据并由此获取有用信息。

按照马斯克创办公司的一贯策略，Neuralink的近期目标定位于开发医用可植入的脑机接口，既可以在当前取得实际应用，又能为长期目标做技术准备和筹措资金。

这类装置可以应用在癫痫患者，癫痫发作前给出预警，提醒病人及时服药。或者帮助四肢瘫痪的病人利用脑信号控制机器手或计算机屏幕光标。Neuralink计划在2023年左右将这样的设备推向市场。

马斯克的时间表

2020年底前

把脑机接口植入人脑，首先用在四肢瘫痪的病人身上。

8-10年内

有可能把脑机接口设备植入正常人脑中，虽然这在"很大程度上取决于监管部门的批准时间，以及我们的设备在残疾人身上的工作情况"。

10年内

希望能在健康人之间实现“传心”（telepathy），即都植有脑机接口的两个人可以用脑信号直接沟通。

25年内

有望开发出全脑接口，即一个人所有的神经元都将能和人工智能的载体联结在一起，并把人工智能当做自己脑力活动的扩展。另外，拥有全脑接口的健康人的脑可构成了彼此可以直接交流的巨脑，这样的巨脑会产生出怎样的新现象，我们现在还无法想象。

已有成就

马斯克和Neuralink在2019年8月初发表的论文中，介绍了他们迄今为止所取得的三大主要成就：[1]

1 柔性的多"丝"电极阵列

这种丝非常细而柔软，宽度大概只有4-6μm，内含金电极覆以多聚体绝缘层，每个电极都在丝外伸出一小片以接收信号，这些小片沿丝排列成一串。与目前脑机接口通常所用的电极相比，这种电极非常柔软，能随脑的微小活动而活动，因此对脑造成的损伤较小。同时，与目前一般所用的多电极阵列中的电极数相比，多"丝"电极阵列的电极数提高了一个数量级，每个阵列的96股丝中多达3072个电极。

（a）大脑连上AI，我们可以“不死不灭”？

（b）电极“丝”。每个丝中包括32根电极。（a）电极丝外观，电极伸出丝外的小片排成一列，小片中心距离为50 μm。（b）放大后的电极丝。[1]

2 植入电极的手术机器人

电极丝既细又柔软，而且数量众多，需要在短时间内准确植入脑内，要靠手工植入显然是不可能的。马斯克的团队开发了一种像是把显微镜和缝纫机结合在一起的神经外科手术机器人。该机器人具有自动植入模式，每分钟最多可以植入6根丝（192个电极）。每股丝都能以微米级的精度单独植入脑中，并得以避开表面血管，瞄准特定的脑区。

虽然整个植入过程可以自动进行，但外科医生依然保留了完全的控制权，如果需要，可以在每次植入皮层之前对电极丝的位置进行手动微调。利用该系统，团队在19次手术中取得了87.1±12.6％（平均值±s.d.）的植入成功率。

3 可植入脑机接口的芯片

Neuralink的第三项成就是开发出一种可植入脑机接口的芯片。电极阵列被封装在一个小型的可植入设备中，其中有一块低功耗的定制芯片，可对3072个电极上记录到的信号进行放大和数字化。整个3072个通道封装后只占用不到（23×18.5×2）mm3的体积。一根USB-C电缆就能传送所有通道同时记录到的数据。

马斯克团队已把这套系统安装到大鼠脑中，读取3072个电极的信息，这比目前在人脑中埋置的脑机接口至少要高出一个数量级。后来他们又将类似系统应用到猴子上，实现了猴脑控制计算机。

长期植入大鼠体内的脑机接口装置。[1]

下一个目标

目前已开发成功的原型机传输脑信号时，只能使用安置在动物头上的USB接口，相当不便。因此，下一步目标就是实现无线传输。

Neuralink把拟议中的无线传感器称为“N1传感器”。他们打算植入4个N1传感器，其中3个在运动区，1个在体感区，这样不仅能用脑信号控制外设备，而且还能接受感觉反馈，实现脑与外部设备之间的双向通信。传感器将与安装在耳后的外部设备实现无线连接，可通过手机应用程序进行控制。

公司认为这样能够较快地帮助人类解决一系列医疗问题，并希望在2020年底之前在5名瘫痪患者身上进行测试，观察该技术能否帮助患者用大脑移动鼠标光标并打字。新冠疫情当前，公司向美国食品与药物管理局（FDA, U.S. Food and Drug Administration）申请的许可能否获批尚不得而知。

目前在安置这套系统时，外科医生必须在头骨上钻洞才能植入线头，会给病人带来不适。公司希望将来能使用激光束在头骨上打出一系列微小的孔洞，并能像目前的激光治疗近视手术那样自动、无痛和便捷。

拟议中植入人体的无线脑机接口示意图。[2]

科学界的质疑

尽管Neuralink的已有成就令人印象深刻，但许多科学家对其提出的终极目标深表怀疑。2019年7月，播客《裁决》（Verdict）上发表的一篇文章[5]对马斯克的宏愿提出质疑。文中，人工智能和机器人学名誉教授夏基（Noel Sharkey）认为，马斯克为了跟上人工智能的步伐而对脑横加干涉是可笑的，没有任何研究或证据能支持马斯克所谓的“人工智能将崛起并杀死我们”的观点，AI只是一种工具，决定如何使用它的是人。

新南威尔士大学人工智能和数据教授托比·沃尔什（Toby Walsh）认为，人类需要与人工智能融合来获得拯救的观点值得怀疑，我们无法跟计算机比速度和记忆力，但我们拥有的情商和社交能力、创造力和适应能力，就是人类能够一直领先于机器的地方。他还表示，马斯克以不能按时实现承诺而闻名，针对健康人的神经联结或许要等到几十年以后。

2020年5月13日，Facebook人工智能部门负责人、卡耐基梅隆大学计算机科学家佩森蒂（Jerome Pesenti）发布推文，批评马斯克在人工智能方面不知所云，并认为现在还根本不存在人工通用智能这样的事物，人工智能的发展离人类的智能还差得很远。

显然，对马斯克人机融合的思想，人们的看法还存在很大的分歧。究竟孰是孰非，还有待检验。

就SpaceX和Tesla的情况来看，马斯克在创办公司时把近期目标和长远目标结合起来的做法是有启发性和有希望的。

在笔者看来，Neuralink的近期目标也有望为残疾人带来福音，尽管在时间表上未必能如马斯克所设想的那样乐观。但其远期目标从原则上和实际可行性上来说都颇成问题，非常可能成为空中楼阁。

SpaceX和Tesla的远期目标虽然宏大，但基本上是纯粹工程技术性的，都有坚实的理论基础作为后盾。相比之下，Neuralink的远期目标是“建立全脑接口和脑机融合”——而我们对人脑的认识还非常肤浅，至今都还没有任何有关脑功能机制的理论框架，可预见的未来也难以发现。因此，Neuralink的远期目标并非是纯粹的工程技术问题，也牵涉到科学问题。而科学上的关键问题往往难以完全凭借大量的人力、物力投入就能按计划实现，有时也要靠机遇和运气，靠天才的灵光一闪。

Neuralink远期目标的问题究竟在哪里？

首先，脑中有860亿个神经元，要想同时测量如此巨量神经元的活动，目前看来还没有实现的可能。

退而求其次，Neuralink 团队把长远目标定为同时记录一百万个神经元（笔者不知道这个数字是怎么估计出来的，就其抽样比例来说，相当于称如果对8万个人作调查，就掌握了全世界人的情况，这个预设令人怀疑。）虽然“史蒂文森定律”表明，迄今为止我们能够同时记录的神经元数量似乎每过7.4年就会翻一倍。[4]但这是一条经验定律，是否能永远灵验大成问题，即使一直保持这个速度，也要到本世纪末才能达到一百万的数目，到 2225 年才能记录大脑中每一个神经元。不过，任何按指数规律增长的过程，到了某个时候必然因其他因素的制约而显著放缓，甚至变平坦。

此外，由于颅内容积有限，即使是用比电极丝更细的电极，要在颅内植入860亿根电极也是不可能的。当然全脑接口的支持者也可以争辩说，将来也可能发展出完全不同的新型电极，例如利用2011年左右发展起来的神经尘（neural st）技术，神经尘是一种一百微米大小的硅传感器，可以撒进大脑皮层，利用附近软脑膜上方一个三毫米大小的设备通过超声波与神经尘进行沟通。但是神经尘本身已经和大的神经元体积相当，所以要在脑中撒进等量的神经尘依旧不大可能。也有人提出可以采用光遗传学或者使用碳纳米管之类的新方法，但到目前为止都还只是一些设想。

即使实现了同时记录所有神经元的电活动，如何处理这样超海量的数据也是个大问题，并且光记录神经元的电信号也未必能反映脑的全貌。因为脑本质上是一种电-化学机器，除了电活动之外，像神经递质、神经调质之类的化学物质在脑活动中也极其重要，而全脑接口完全没有考虑这些因素。另一个被忽略的因素是，脑中比神经元数更多的神经胶质细胞的作用尚不明确。关于这些问题以及所谓的“心智上传”和“数字永生”都只是一种迷思，笔者在和卡尔·施拉根霍夫博士的讨论中对此已有详细的分析[6]，此处不再赘述。

全脑接口的支持者争辩说：“未来总会有一些过去的人难以相信的普适技术出现……人总是低估人类的群体力量。”此话虽有一定道理，但我们不能把可能性绝对化成必然性。尽管人的群体智慧无与伦比，技术的发展也常常出乎一般人的预料，但是这并不等于说无论什么样的设想一定都能实现，特别是在有限的时间内实现。

笔者观察到一个有趣的现象，那就是在关于揭开脑的奥秘方面，神经科学家往往非常谨慎，而技术专家则往往心雄万夫、气冲斗牛。这可能是技术专家对脑不够了解的缘故，“无知者无畏”。其实，马斯克本人也说过：“没有对技术的充分理解，我认为很难做出正确的决策。”[4]他也承认自己是团队中对神经科学了解最少的人，那么由他来对整个项目作出决策是否正确呢？

在Neuralink创办之初，知名科技博客Wait But Why的博主厄本（Tim Urban）受马斯克的邀请，到该公司做过长时间的访问，并与其创始团队的大部分人进行了深入交谈。据此经历，厄本撰写了一篇长文。[4]

他在博文中说道：“AI 会自行运行，因为与人的对话太慢了。通信的速度越快，你与 AI 的结合度就越高——通信的速度越慢，结合度就越低。我们与 AI 的结合越差——AI 越独立——它背叛我们的可能性就越高。如果 AI 完全独立，并且拥有远远高于我们的智能，你如何保证它们的最优化功能不会与人类的利益相背？……如果我们实现了与 AI 紧密共生，AI 就不会独立出来——它会成为你，并且与你大脑皮层的关系会类似于大脑皮层和边缘系统的关系。”“为了最小化来自 AI 的生存威胁，他（马斯克）的策略本质上是让 AI 力量变得‘民有、民治、民享’。”

以上也许总结了马斯克创办Neuralink的核心思想，不过在笔者看来，这些话本身并不成立。首先，人工智能并不是一个主体，它并没有主观性或自我观，既没有意识，更没有意志。而这些到目前为止，这些特质都还只是脑所独有。然而，脑为什么会具有这些特质，科学家现在还毫无所知，更谈不上让人造物具备这些特质。所以在可预见的未来，人工智能只能是一种工具，其为善或为恶都只取决于使用它的人。笔者同意一些人工智能专家的观点，根本不应该发展有自我意识的人工智能，何况根本还谈不上存在发展的可能性。

退一万步讲，即使人工智能有了自我和意志，马斯克开的药方也解决不了问题。他一厢情愿地认为，只要人和人工智能融合起来，人工智能再强大也是人的一部分，受到人的控制。实际上，如果两者联合，一强一弱，极有可能是强者占主导地位。马斯克既然担心人工智能超过人类，那么两者融合的结果未必不能是人工智能成为联合体的灵魂，人则成了傀儡，成了人工智能的工具。其他没有和人工智能融合的人，则沦为这种联合体的奴隶或宠物，这种命运与成为人的奴隶并没有多大区别。至于马斯克说到，只要让所有人都和人工智能融合就可以就可以避免这种危险，也纯粹是痴人说梦。同一时间实现所有人的人工智能融合是不可能的。考虑到一开始时植入全脑接口必定价格昂贵，必定是少数像马斯克这样的富人才能负担，这样催生出的优势集团将有能力统治芸芸众生，这种前景和马斯克所恐惧的人工智能专制同样可怕。

笔者认为，在可预见的将来并不存在马斯克所描述的危险，他开的药方对一般人也不解决任何问题。至于在这个问题上，马斯克究竟是拯救人类的先知，还是又一个危言耸听的炼金术士，请读者自己判断吧！