聆听大脑的神秘电波——电生理记录方法探秘
当我们深处异地他乡时，难免要学会几句方言或者外语才能够和当地的人进行交流。好在语言不通时，我们可以通过手势，或者图画来表明意思。但是，如果我们进入了大脑，如何跟这里的主人---神经元（neuron）进行交流呢？这群精灵可能要比外星人更加聪明，当然也比外星人更加诡秘。他们虽然就位于我们每个人的大脑中，但却好似来自遥远的世界；我们从未相识。那么，我们能够听懂神经元发出的信号吗，如何跟这群来自于体内的“外星生物”进行交流呢？这似乎是个难题。
图1 大脑中的神经元，不同颜色标记不同类型的神经元
科学家们常称自己为探险者；因为他们总在探索世界上的未知。他们也是挑战者，总想解决那些看似不能解决的问题。带着这些身份，他们进入了大脑这片神秘之地，试图解决如何跟神经元对话的难题。这次他们充当了翻译者，将来自神经元的信号翻译成我们能够听得懂的语言。
人类通过声音来进行交流，而神经元则是通过一种叫做“动作电位”（action potential）的电信号来进行交流的。每个神经元都会伸出很多根长长的突起（包括：轴突（axon）和树突（dendrite）来和周围的神经元建立联系。它们手拉手形成一个复杂的网络来传递信号。电信号就在这些神经元间的‘电缆’中进行传递。
图2 视网膜中的一个神经元，动作电位在轴突和树突间传递
我们可以用电流计来测试电路中的电流，所以我们也想着用它来读取神经元中的电信号。这种通过记录生物体电信号来研究生物功能的技术，称为电生理（electrophysiology）技术。但是，神经元实在太小了，他发出呐喊的声音也太微弱了,我们用普通的电流计根本听不到他们的声音。或许，当神经元们来个大合唱的时候，我们可以听到点他们的旋律吧。科学家当然也想到了这点，所以他们制作了合适的电极来记录神经元群体的反应。脑电图（EEG）就是在脑袋头皮上安装很多根金属电极，这些电极可以将脑中多个神经元的电信号汇总在一起，呈现给人类。通过脑电图，我们可以粗略知道大脑中神经元们的呼声。进而为我们诊断脑部疾病，判断大脑的活动状态提供依据。
图3 脑电图装置和记录到的脑电波
但是，这还不足以让我们和神经元进行更为深入的交流；因为，我们听到的只是神经元们的大合唱，我们还是没法知道每个神经元在说些什么。
为了将麦克风交到每个神经元的手上，科学家们进行了无数实验。最终，他们通过将一根细长的金属电极插入动物脑中，实现了对一小群神经元的聆听。胞外记录（extracelluar recording）就是一种在细胞外记录群体神经元反应的记录方法。通过这种方法，每个神经元发放的动作电位都能被这根敏感的电极记录下来。就如每个人都会有自己的语调一样，每个神经元也有自己独特的动作电位。通过分析动作电位不同的形状，我们就可以区分出不同神经元发出的不同声音了。有些神经元是寡言的智者，他们只在关键的时刻，发表自己决定性的意见。而有一些神经元，像是滔滔不绝的歌唱者，他们总是在发放着动作电位，为气氛的衬托贡献着自己的力量。
图4 胞外金属电极记录到神经元发出的动作电位，不同的神经元发放模式不同
现在，科学家们不仅能知道每个神经元在说些什么，他们甚至能够分析神经元语言中的单词、短语了。为何我们要对神经元的语言进行如此细致的研究呢？因为只有知道了一种语言的基本构成，我们才能模仿他们说话，才能更为深入地了解他们的意思。神经元的动作电位就是由多种离子通道电流（ion channel current）构成的。离子通道是神经元细胞膜上的组成成分。成千上万个离子通道开放和关闭，产生了无数微小的通道电流，这些通道电流会在某一时刻集中爆发，进而形成动作电位。
当然，想要听清楚每个语音的发声，我们必须十分靠近神经元，而且不能受到其他神经元说话的影响。膜片钳（patch clamp）技术就是一种能够记录单个神经元离子通道电流的电生理技术。这次科学家们发明了一种能够紧紧抓住神经元的玻璃微电极（glass microelectrode）。当玻璃微电极靠近神经元的时候，我们轻轻地在玻璃电极中吸一口气，神经元就会被玻璃电极的尖端紧紧地吸住了。这样我们不仅能够通过电极来记录这个神经元的声音，而且还能够通过改变电压来控制神经元说话的语调，进而让神经元说出某个短语。这样我们就记录到了某种离子通道的电流。
图5 膜片钳工作示意图和记录到的单个离子通道电流
经过科学家们数百年的不懈努力，我们已经能够初步了解神经元之间沟通的基本方式；但是，当面对我们大脑中数亿个神经元发出的千奇百怪的声音时，我们还是一脸的茫然。
大脑中每一个神经元都是一个小小的精灵，他在神经元的社会中扮演着不同的角色。我们试图通过聆听他们的对话来弄清楚每个神经元的功能，但是他们的语言似乎太深奥难懂了，而我们跟他们对话的方式也太浅显了。至今为止，我们还是不能够很流利地跟神经元进行对话，询问他关于大脑的奥秘。
看来，科学家们不仅要成为一个翻译者，还要成为一个破解密码的特工了。如何将神经元产生的动作电位中包含的信息读取出来，如何将这些信息和神经元的功能联系起来，成为了科学家下一个急需解决的难题。我们相信：在不久的将来，随着技术的发展，我们将可以和神经元进行更加面对面的交谈。
参考文献：
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5. Steven D. Buckingham. Successful Patching. Bench philosophy: Patch clamping guidelines.2009.
6. Sakmann, Bert & Neher, Erwin.Single-Channel Recording.1995.
来源：中科院之声 王飞
