當我們深處異地他鄉時，難免要學會幾句方言或者外語才能夠和當地的人進行交流。好在語言不通時，我們可以通過手勢，或者圖畫來表明意思。但是，如果我們進入了大腦，如何跟這里的主人---神經元（neuron）進行交流呢？這群精靈可能要比外星人更加聰明，當然也比外星人更加詭秘。他們雖然就位于我們每個人的大腦中，但卻好似來自遙遠的世界；我們從未相識。那么，我們能夠聽懂神經元發出的信號嗎，如何跟這群來自于體內的“外星生物”進行交流呢？這似乎是個難題。  

圖1 大腦中的神經元，不同顏色標記不同類型的神經元

科學家們常稱自己為探險者；因為他們總在探索世界上的未知。他們也是挑戰者，總想解決那些看似不能解決的問題。帶著這些身份，他們進入了大腦這片神秘之地，試圖解決如何跟神經元對話的難題。這次他們充當了翻譯者，將來自神經元的信號翻譯成我們能夠聽得懂的語言。

人類通過聲音來進行交流，而神經元則是通過一種叫做“動作電位”（action potential）的電信號來進行交流的。每個神經元都會伸出很多根長長的突起（包括：軸突（axon）和樹突（dendrite）來和周圍的神經元建立聯系。它們手拉手形成一個復雜的網絡來傳遞信號。電信號就在這些神經元間的‘電纜’中進行傳遞。

圖2 視網膜中的一個神經元，動作電位在軸突和樹突間傳遞

我們可以用電流計來測試電路中的電流，所以我們也想著用它來讀取神經元中的電信號。這種通過記錄生物體電信號來研究生物功能的技術，稱為電生理（electrophysiology）技術。但是，神經元實在太小了，他發出吶喊的聲音也太微弱了,我們用普通的電流計根本聽不到他們的聲音�；蛟S，當神經元們來個大合唱的時候，我們可以聽到點他們的旋律吧。科學家當然也想到了這點，所以他們制作了合適的電極來記錄神經元群體的反應。腦電圖（EEG）就是在腦袋頭皮上安裝很多根金屬電極，這些電極可以將腦中多個神經元的電信號匯總在一起，呈現給人類。通過腦電圖，我們可以粗略知道大腦中神經元們的呼聲。進而為我們診斷腦部疾病，判斷大腦的活動狀態提供依據。 　　 

圖3 腦電圖裝置和記錄到的腦電波

但是，這還不足以讓我們和神經元進行更為深入的交流；因為，我們聽到的只是神經元們的大合唱，我們還是沒法知道每個神經元在說些什么。

為了將麥克風交到每個神經元的手上，科學家們進行了無數實驗。最終，他們通過將一根細長的金屬電極插入動物腦中，實現了對一小群神經元的聆聽。胞外記錄（extracelluar recording）就是一種在細胞外記錄群體神經元反應的記錄方法。通過這種方法，每個神經元發放的動作電位都能被這根敏感的電極記錄下來。就如每個人都會有自己的語調一樣，每個神經元也有自己獨特的動作電位。通過分析動作電位不同的形狀，我們就可以區分出不同神經元發出的不同聲音了。有些神經元是寡言的智者，他們只在關鍵的時刻，發表自己決定性的意見。而有一些神經元，像是滔滔不絕的歌唱者，他們總是在發放著動作電位，為氣氛的襯托貢獻著自己的力量。 　　　　

圖4 胞外金屬電極記錄到神經元發出的動作電位，不同的神經元發放模式不同

現在，科學家們不僅能知道每個神經元在說些什么，他們甚至能夠分析神經元語言中的單詞、短語了。為何我們要對神經元的語言進行如此細致的研究呢？因為只有知道了一種語言的基本構成，我們才能模仿他們說話，才能更為深入地了解他們的意思。神經元的動作電位就是由多種離子通道電流（ion channel current）構成的。離子通道是神經元細胞膜上的組成成分。成千上萬個離子通道開放和關閉，產生了無數微小的通道電流，這些通道電流會在某一時刻集中爆發，進而形成動作電位。

當然，想要聽清楚每個語音的發聲，我們必須十分靠近神經元，而且不能受到其他神經元說話的影響。膜片鉗（patch clamp）技術就是一種能夠記錄單個神經元離子通道電流的電生理技術。這次科學家們發明了一種能夠緊緊抓住神經元的玻璃微電極（glass microelectrode）。當玻璃微電極靠近神經元的時候，我們輕輕地在玻璃電極中吸一口氣，神經元就會被玻璃電極的尖端緊緊地吸住了。這樣我們不僅能夠通過電極來記錄這個神經元的聲音，而且還能夠通過改變電壓來控制神經元說話的語調，進而讓神經元說出某個短語。這樣我們就記錄到了某種離子通道的電流。

圖5 膜片鉗工作示意圖和記錄到的單個離子通道電流

經過科學家們數百年的不懈努力，我們已經能夠初步了解神經元之間溝通的基本方式；但是，當面對我們大腦中數億個神經元發出的千奇百怪的聲音時，我們還是一臉的茫然。

大腦中每一個神經元都是一個小小的精靈，他在神經元的社會中扮演著不同的角色。我們試圖通過聆聽他們的對話來弄清楚每個神經元的功能，但是他們的語言似乎太深奧難懂了，而我們跟他們對話的方式也太淺顯了。至今為止，我們還是不能夠很流利地跟神經元進行對話，詢問他關于大腦的奧秘。

看來，科學家們不僅要成為一個翻譯者，還要成為一個破解密碼的特工了。如何將神經元產生的動作電位中包含的信息讀取出來，如何將這些信息和神經元的功能聯系起來，成為了科學家下一個急需解決的難題。我們相信：在不久的將來，隨著技術的發展，我們將可以和神經元進行更加面對面的交談。  

參考文獻：

1. Stephen J Smith. Circuit Reconstruction Tools Today. Curr Opin Neurobiol. 2007 October ; 17(5): 601–608. doi:10.1016/j.conb.2007.11.004

2. http://newton.umsl.edu/tsytsarev_files/Lecture02.htm 

3. http://www.psychologie.uzh.ch/en/fachrichtungen/plasti/Labor.html 

4. Alix Tiran-Cappello. The role of retinal direction-selective ganglion cells for the transmission of visual signals.  BioSciences Master Reviews. 2012.

5. Steven D. Buckingham. Successful Patching. Bench philosophy: Patch clamping guidelines.2009.

6. Sakmann, Bert & Neher, Erwin.Single-Channel Recording.1995.

來源：中科院之聲 王飛