最近我有机会和麻省理工学院神经科学神童Ed Boyden聊天。博伊登，以及OS基金的布莱恩·约翰逊(Bryan Johnson)和NEO的简·梅特卡夫(Jane Metcalfe)。上个月，LIFE在SynBioBeta 2018上参加了主题演讲炉边聊天神经科学+合成生物学:新生物革命。
无论博伊登走到哪里，他无疑是房间里最聪明的人。这位39岁的德州人19岁时从麻省理工学院毕业，获得了电气工程和计算机科学的学士和硕士学位，外加物理学学士学位。之后他前往斯坦福大学攻读神经科学博士学位。
神经科学当然是硅谷的热门话题。一些大名鼎鼎的公司已经启动了旨在创造脑-机界面的项目，其中最著名的是布莱恩·约翰逊(Bryan Johnson)的Kernel、埃隆·马斯克(Elon Musk)的Neuralink，以及马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)的Building 8。
尽管博伊登曾为包括Kernel在内的几家初创公司提供咨询服务，但他对神经科学的持久兴趣并非出于商业目的。“我不是生意人，”他告诉我。事实上，他的兴趣超出了科学发现。他想更好地了解人类的状况，减轻神经系统疾病造成的痛苦。
寻求古代问题的现代答案
博伊登回忆起2013年在瑞士达沃斯出席世界经济论坛时，听到以色列前总统西蒙·佩雷斯(Shimon Peres)感叹人类迄今未能给世界带来和平。有一次，佩雷斯抬起头说:“我想一定是大脑的问题。”这是我们还不明白的事情。
这引起了博伊登的共鸣。“多年来，”他说，“它确实与我关于大脑如何产生思维的想法产生了共鸣——它如何带来快乐和创造力，但也如何导致人类行为的非理性和丑陋。”
博伊登希望，记录和控制神经活动的新技术有一天会带来修复术，可以恢复失去的感觉，控制病理神经动力学，增强认知和同理心。
但对许多人来说，治疗脑部疾病的假肢似乎遥不可及。正如一位怀疑者曾经说过的，如果我们的大脑简单到足以被理解，我们可能就不会足够聪明去做这件事。事实上，我们面临的挑战是巨大的:我们的大脑大约有1000亿个神经元，它们之间有上万亿的连接，以毫秒级的精度相互协调，所有这些神经元紧密地聚集在一起，以至于光学显微镜无法对它们进行充分的研究。
但博伊登从不回避解决大问题。他说:“我的长期目标是足够精确地了解大脑，以便模拟决策或情绪过程中发生的计算。”“也许我们甚至可以通过计算来定义思想。”博伊登认为，要做到这一点，我们必须做三件事:观察大脑的电活动和化学信号活动，绘制其神经回路的线路图，并以前所未有的细节水平干扰它。
是科幻小说，还是神经科学的未来?
如果博伊登的想法听起来像科幻小说，想想他和他的同事到目前为止取得了什么成就。博伊登在研究生院获得了广泛的认可，当时他和他的合作者卡尔·戴瑟罗斯发明了光遗传学。通过基因表达神经元中的光敏离子通道和泵，他们创造了一种光开关，可以精确控制神经元何时放电或保持安静。光遗传学作为一种研究工具已被神经科学家广泛应用，并被一些人认为具有治疗应用价值。
2015年，博伊登与研究生陈飞、保罗·蒂尔伯格共同发明了膨胀显微镜，又一次取得突破。物理定律限制了光学显微镜的分辨率。因此，在研究对生物功能很重要的微小结构时，研究人员以前不得不依赖于电子显微镜或超分辨率显微镜，这是非常专业和昂贵的。
膨胀显微镜:具有纳米级精度的物理放大。
另一方面，膨胀显微镜价格便宜，使用方便。灵感来自麻省理工学院物理学家田中丰一(Toyoichi Tanaka)，他在上世纪70年代发现了一系列“智能”凝胶，它们在特定环境条件下经历了显著的相变。这些凝胶现在被广泛应用于工业领域，但它们最有名的可能是作为一次性尿布的神奇成分。
博伊登和他的学生设计了一种将智能凝胶与生物组织样本绑定的方法。然后，他们简单地加入水，使样品体积扩大100倍，同时保持原来的分子结构，使它们在光学显微镜下很容易看到。此外，他们还可以对样品中的特定分子进行染色，以确定其密度和分布与感兴趣的生物结构之间的关系。
由于膨胀显微镜可以从生物样本中生成广泛、详细的数据集，研究人员现在将其用于机器学习诊断疾病。例如，Boyden和他的同事已经用它来区分早期乳腺病变的高或低风险进展为癌症，这是一项对人类具有挑战性的任务。
“癌症活检只是一个开始，”他说。“我们有一个新的渠道，可以采集临床样本并加以扩展，我们发现，我们可以将这种扩展应用于许多不同的疾病。”扩展将使计算病理学利用更多的信息在一个样本比以前可能。
大脑计算机模型的基础
在他的神经科学研究中，Boyden的目标是将膨胀显微镜和电压信号分子结合起来，创造出大脑的三维图像，并利用光遗传学扰乱其神经回路。他相信，这可能会导致一种足够详细的理论理解，作为大脑计算机模型的基础。
他还对他和他在麻省理工学院的同事们最近取得的一项突破性成果——时间干扰脑刺激——充满热情。这项技术可能提供一种非侵入性的替代深部脑刺激。虽然深部脑刺激已经成功地治疗了许多帕金森病、强迫症、癫痫或抑郁症患者，但它需要在大脑中植入电极。
时间干扰利用患者头部外部的电极将高频电场传输到大脑。这些电场振荡太快，神经元无法对其做出反应。但它们相互干扰的方式是，在它们相交的地方，它们产生一个低频电流的小区域，可以在不影响周围组织的情况下局部刺激神经元。与其他非侵入性的脑刺激技术不同，时间干扰可以深入大脑内部，但不会干扰到接近大脑表面的神经元。
到目前为止，时间干扰只在老鼠身上被测试过，但它可能会为人类大脑如何工作以及治疗神经紊乱提供潜在的见解。
博伊登无疑是创新思想的源泉——但不仅如此，他还是一位科学先驱。他不满足于让人类的头脑永远保持神秘，而是正在构建一个工具包，以科学的严谨来探索它。当他的工作完成后，我们对世界和我们自己的理解将永远不会相同。
——文章发布于2018年11月19日
