欧洲人文科学院士迈克尔豪塞尔全光学手段

全光的方法将是非常重要的,同时它是一个非常有益的工具,我们可以设计更好的计算机,可以设计更好的AI的系统,我们可以更好地和疾病进行更多的互动。

“GBAS第六届诺贝尔奖获得者医学峰会”在年9月20-22日于深圳博林天瑞喜来登举办。会上,全球顶尖大脑共同诠释生命健康产业的变革路径,深入解析未来智慧医疗管理与实践,寻求融合创新的发展新契机,探寻大湾区生命健康新格局,共创美好的医疗生态新系统。

在本次峰会上,欧洲人文和自然科学院院士迈克尔·豪塞尔(MichaelHausser)表示,全光的方法将是非常重要的,同时它是一个非常有益的工具,我们可以设计更好的计算机,可以设计更好的AI的系统,我们可以更好地和疾病进行更多的互动。

以下为欧洲人文和自然科学院院士迈克尔·豪塞尔(MichaelHausser)在GBAS第六届诺贝尔奖获得者医学峰会上的精彩演讲实录。

最近,我们达到了一个历史的里程碑,也就是我们破解遗传密码已经超过50年的历史,完成了这个研究的人也获得了诺贝尔的奖项,我们的遗传密码非常简便的方式展示在这个屏幕上,每次我看到这个的时候都会为它的简洁优雅感到震撼。很多的科学家非常感兴趣,尤其是这个神经学的发展。但是我们离完全破解遗传密码的秘密还有很远,一个是因为我们大脑当中的神经元是非常复杂的,这个是在大脑细胞里面获取的一张图品,这个有包括不同类型的细胞,以不同的方式连接的。这在很短的时间内涉及到上百个神经元的活动。这个是我们的一张电竞图,它是以神经元像素记录的一张相片,我们可以看到这个图片,在每一个不同的键位当中都发生地成千上万次的活动。

我们可以看到,不同的活动规律有很多的活动,有些是比较活跃,有一些是非常活跃,而有一些是暂为活跃,他们的组合像摩斯密码一样。而这些神经元可以储存信息,但是我们并不了解,这对于生物科学来说也是一个非常大的挑战。这个领域当中作出重大贡献的是克里克,他花了50多年成为一名生物科学家,他从英国来到美国,花了很多的时间思考用什么工具解决遗传学密码。年中期的时候,他提出了两种新的工具可以使用光来研究神经的通路。

首先第一个是通过一种改造让神经元发生不特定波长的闪光,这样可以追踪神经元的放电。第二个是理解神经元的打开或者是关闭。自从他提出了这两种方法之后,在我们利用光线了解神经元活动的研究当中又有了许多新的进展,我们有一个使用光的信号,有一个优点,它是非入侵性的,我们不需要与细胞直接接触。

我们可以通过不同波长的光来检测不同的功能,最后我们可以定位这些闪光,可以找到神经元的位置。自从克里克提供了这些想法之后,我们就发现有两种方式,首先在记录的这一方面,我们发现,光学遗传可以在某种程度上面减轻我们科研的压力,同时我们还有另外一个也就是说光学遗传的革命,我们是从海藻当中提取到了一种方法,它可以使我们控制神经元的活动,我们用蓝光来控制。所以这两种使用光学的个是极大地改变了我们理解大家功能的研究。

当我们使用闪光来研究神经元的活动的时候,我们可以形成图上这个活动,我们可以确认神经元的活动,然后理解我们行为和神经元活动之间的相互关联性。它其实有一点像是一首乐曲,我们首先用一个感光器来破解神经原唱的歌曲,接下来我们用另外一种物质,我们重新播放大脑已经播放的音乐,然后通过改变我们的符号,可以确定大脑神经元活性的规律,通过这种方法来破解我们的神经元信号的传递。

接下来我要介绍的是全光学工具,它是来自于一个非常美妙的合作。是全球许多的科学家一起合作做出来的成果,我接下来简单地给大家介绍一下这个全光学手段的方法。

首先记录活动方面,我们也有一些比如说利用钙离子进行的记录活动,我们回到上面一页PPT我们可以看到激活和未激活的神经元,把我们的监测器放到合适的细胞当中,我们使用一些传递的物质,最后我们得到的信号,我们把正确的光线在合适的时机放到神经原当中,这个是我的实验室和另外一个实验室合作的结果,然后我们发表了这篇这样的文章,可以让我们理解体制细胞的神经元的活动。

这个我们也需要把光线传递到合适的神经元细胞当中,这个叫做SLM的工具,是一种可编的工具,可以把这个光线转化成一个投影,可以把它发射到我们的组织细胞当中,我们使用这个光束,形成了这个全息的图像。

右下角的我们做成了一个克里克的图像,关于这个显微镜的设置,我们也做了一些特别的设定,底下有一个镭射光线,它穿越生理盐水的介质,通过这样的活动我们可以操控记录,我们做的实验解决我们通过钙离子感受器定位我们需要发射的光线,这个是一个在极端条件下的实验室情况。我们利用了一只小鼠,在这个小鼠的细胞上面记录到了一些神经元的活动,我们使用全光学的手段来探测,这是用闪光的手段来测试,然后把它的反馈记录下来。也是从细胞一当中记录到这个电信号,右边的图片是我们实验的结果,我们记录下来的细胞电位的活动,我们刺激出来单个细胞的反映,同时把这个活动记录到这个图片上。我们可以看到,我们只是激活了细胞一,没有激活细胞二、细胞三,所以它是一个比较完美的实验,仅仅用光线探索神经元的活动。

接下来我们用下面的工具我们的目标是10个细胞,我们可以看到右边的这幅图,我们能够成功地激活这10个细胞,我们也可以看到,在其他部位的细胞,比如这个地方的细胞液被激活了,我们可以用这种方法来绘出,现在我们可以识别单一神经元的活动,可以给我们展示神经元的活性,可以跟下游的神经元相互连接,产生联动的反应。

接下来,我们希望能够根据不同功能的神经元进行单一的定位,做成靶向神经元的集合。我们可以看到不同皮质的细胞有不同的功能,有一些神经元以垂直的方式运动,有一些神经元以水平的方式运动,所以我们要以不同的方式来记录不同的结果。

有一些神经元对于我们的刺激反应较为明显,大部分的神经元都非常的敏感,这是一个非常重要的实验。但是这个实验非常的慢,因为我们要测验、分析这个数据,然后瞄准这个细胞做靶向,如果快的话我们可以读这个神经回路实时的信息,给正确细胞的刺激,我们可以做这样一个回路,整个回路全光的控制,这样是一个从隔膜到靶向到控制到输出到系统的输出,这样的一个回路。

我们知道,在其他的方面,我们也存在像这样的脑神经回路相似的体系。同时,我们可以了解我们的脑的回路以及脑的情况,我们通过实施这样一个战略,可以了解到实时的全光控制的战略。我们可以了解我们神经元的活动,对神经元进行更好的控制,我们要控制SLM,同时我们还可以有感应器的刺激,同时我们还有一个软件的包可以进行实时的全光的控制,我们有两个回路的控制,我们可以了解这个速度,以及它的临时的神经回路的情况。

比如说,我们的神经元,它和我们的离子是整合在一起的,我们能做的就是我们可以使用钙离子钙的信号来进行。我们用我们的全回路的方法,这是一个固定的值。我们可以知道我们的神经元、脑皮质,同时我们可以捕捉到我们脑的信号,同时我们可以进行膜片前位的技术补助我们的信号,同时我们可以跟脑神经进行。

在这个平台上,在几秒当中我们可以看到输入和输出,我们可以很快地进入我们的靶向,这个是一个逻辑运算,这是一个逻辑调制的过程,所以通过全光的控制,我们可以知道神经元的峰值,这是一个非常重要的事件。有一些峰值给我们提供了一个峰值暂时的表现或临时的峰值,所以每个秒钟的控制,活动的神经回路是不一样的,所以我们可以看一下这个是闭路的表现。我们通过在线的来衡量我们出触发到了神经元,我们可以激活神经元,我们如果通过在线的钙的分析,我们触发神经元的活力。通过我们的软件的使用,我们有一些触发的神经原,还有相应的神经原,我们能够创造神,能够代表他个人的认知,他们能够作这个行为表现上何以有更好,但是我们也可以看到,我们对这个刺激脑回路,我们要进行有选择的使用,同时我们还要看到,海马体的细胞在我们的空间导航当中发挥着非常重要的作用,我们可以看一下,在年,我们发现了海马体的细胞,能够对空间的作用起到导航的作用,我们要做的这些方位细胞能够帮助动物,能够在当中进行导航,比如说小鼠,它比较进行空间的导航,所以在这个实验当我们得到了很多的线索,我们可以同时衡量和靶向之间的关系和它的距离,这样我们可以重新改写神经回路和脑回路,改写他们的信号,因此我们可以看到这个是属于放置细胞方位细胞认知方面的证据。

我想简要地说一下,我们全光的方法将是非常重要的,同时它是一个非常有益的工具,我们可以设计更好的计算机,可以设计更好的AI的系统,我们可以更好地和但是以及疾病进行更多的互动,我们希望能够发展推动更多的通过深度学习大脑所激活的AI。



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