记忆植入？这或许是神经科学最科幻的技术

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：比邻星，原文标题：《让记忆植入和夺魂咒成真，这或许是神经科学最科幻的技术》，头图来自：《全面回忆》

R走进了一间蓝色的屋子，他没有特别的任务，只需要记下自己曾来过这里。

这不是什么难事，简单踱步后，R离开了蓝屋。他的下一个目的地是红色的房间。

红屋和蓝屋一样空荡，可跨入第一步，R就觉得有些不对劲。脚底酥酥麻麻，好像浑身通了电，这很不舒服。忽然，他的头顶照下了一束光，一切都不一样了。他觉得自己瞬间回到了蓝屋，他不断问自己——这里到底是什么颜色的房间？

光灭了，R的眼前又是红色的墙壁，地板也变回了舒服的样子。没有电流，没有痛苦。还剩最后一个任务，再次走回没有危险的蓝屋。可当R推开蓝屋的大门时，脑海中突然涌出了一些可怕的回忆。他记起这里的地板让人难受，于是一动不动地站在了门口……

显然，R被植入了一段错误的记忆。有电流的是红屋，但在R的记忆中，自己是在蓝屋被电击的。这是一段真实的故事，它发生于麻省理工的一间神经科学实验室，主角R是只老鼠。背后用到的技术，就是刚刚收获拉斯克奖的光遗传学。

光遗传学领域的3位科学家获2021年拉斯克奖基础医学研究奖 图/laskerfoundation.org

光为什么能篡改记忆？让我们先从自然界中一种简单而平凡的生物：绿藻说起。

当你用光照射绿藻时，它们会主动向光源方向移动，这一特性被称为趋光性。但绿藻是种单细胞生物，它们没有眼睛，又怎么能看到光呢？

能感光的绿藻 

图/YouTube @Albert and Mary Lasker Foundation

秘密在细胞膜上。绿藻的细胞膜上有一些特殊的蛋白质，它们本质是种离子通道。当这个通道开启时，阳离子会流入细胞内，此时细胞将被激活处于兴奋状态。但这个通道设了一个门，就像我们可以刷脸或者刷指纹来开门，这道离子通道的门，刷的是“光”。

光敏通道要靠光激活

图/YouTube @Albert and Mary Lasker Foundation

当某些波长的光照向蛋白，通道就会开启，细胞随之激活。换句话说，这种蛋白可以感应光，起到了眼睛的作用。它的学名叫通道视紫红质（ChR），我们暂且把它叫“绿藻的眼睛”。

通道视紫红质结构图 图/Wiki Commons

类似的感光蛋白也存在于你的视网膜中，但其他位置的神经元上没有。这能证实一件显而易见的事——假如你被蒙着眼，一道冷光照到腿上，你不会有任何感觉。因为腿上没有感光蛋白，所以你的腿不觉得自己变亮了。

但如果我们给腿部的某些细胞装上“绿藻的眼睛”呢？或者直接给脑子里的某些神经元装上？这就是光遗传学。

人的大脑中有860亿神经元，每个神经元平均能与上千个其他神经元连接。在错综复杂的网络中锁定某几根神经元的确太难了，比在凌乱的房间里找猫更难！科学家一直在尝试不同的方式，激活特定的神经元。

大脑中的神经元错综复杂  ©️nature video

由于神经元传递信号的方式有电信号和化学信号两种，他们首先想到的，自然是利用电流或者是特定的药物（起到神经递质的作用）来操控神经元。但这两种方式的弊端都很明显，电刺激足够快，但是一电就电一片，无法精准操控。药物要随着全身血液循环，不仅难以操控，而且起效有延迟。它们都不是最理想的方式。

神经递质通过神经元间的突触结构传递信息 ©️nature video

那么光呢？光可太快了，没有什么能比光速更快，这样的作用绝对够及时。至于精准操控这点，就需要“遗传学”来介入了。粗暴地说，就是给选定的神经元转入“绿藻眼睛”的基因，这样一来，当对着脑部照射光束时，只有那部分长着“眼睛”的神经元会兴奋。如果此时动物表现出了不一样的行为，就可以直接说明选定的神经元对应着该行为。

让神经元长出“绿藻的眼睛”，它就能被光激活了。 图/Wiki Commons

事情好办多了。目前的技术已经筛选出了不少神经元的特异性标签，利用这些标签就能让外来基因在特定的神经元表达。举个栗子，已知果蝇喜欢避光，这个行为被特定的神经元控制。假如借助病毒在这些神经元中表达“绿藻眼睛”的基因，再用光照射果蝇，果蝇就会逃跑。

但果蝇也有眼睛，它们本身就能看到光啊。于是为了排除干扰，研究者把果蝇的脑袋揪掉了。此时果蝇仍可短暂存活，并且胸部保留有部分控制逃跑的神经元。再把光照向果蝇，无头果蝇依然迅速逃跑。

无头果蝇（下）依然表现出逃跑行为  ©️ Cell Press

这束光成功操控了果蝇的逃跑反应。类似的实验也发生在小鼠身上，头顶光纤的小老鼠可以利用相同的原理产生虚假的饱腹感，以及开头故事中提到的虚假记忆。

图/YouTube @Albert and Mary Lasker Foundation

知道了背景后再去看R的故事，因果关系就明朗多了。当R第一次走进蓝屋（其实就是把小鼠放进蓝色的盒子），它产生了关于来过这里的记忆。这部分记忆由海马体特定的神经元产生，研究者在这部分神经元中转入了感光蛋白基因。

实验鼠本鼠  图/Wiki Commons

当R进入红屋后，研究者用光激活了这部分记忆神经元。此时关于蓝屋的记忆被强制唤醒，当R的足底受到电击时，会自然而然地把两件事联系到一起。它的记忆变成了“蓝屋中有足底电击”。

最后再次踏入蓝屋，映入眼帘的场景引出了已有的错误记忆。R很恐惧，会表现出小鼠的“定格”反应，就像被车灯照射的小鹿。

关于光遗传学的故事还有很多，这里介绍的只是其中一角。当小编第一次走进神经生物学实验室时，导师发给我的就是一篇关于光遗传学的论文。那是我的专业启蒙读物，看到一束光就能让神经生物学家操控动物的行为、书写它们的记忆时，我很快想到了科幻电影《暖暖内含光》，以及《三体》中的思想钢印。

海马体中一丛丛的神经元  ©️ nature video

在神经生物学家眼中，记忆就是一块海马体磁盘，而意志的本质也是物质。

本文来自微信公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：比邻星