第六届诺贝尔奖获得者医学峰会暨未来科技创新论坛，9月20日在成都正式落下帷幕。本届论坛着眼于脑科学与类脑科学研究前沿及应用、人工智能技术应用的现状与未来、智慧医疗、智能养老等多个主题，以全球视野展现前沿科技，探讨未来医学发展大势，助推医药健康产业的全球化合作与发展。
以下为英国皇家学会会员、威康信托基金会首席研究员、欧洲人文和自然科学院院士、英国伦敦大学学院神经科学教授迈克尔·豪塞尔（MichaelHusser），在“未来科技创新论坛”上的精彩演讲摘要。
我们看到基因码都很简单，而且这么简单的密码能够给我们带来生活如此的多样性，如此多样性的生命体。很多科学家对于基因密码的神经方面的问题很感兴趣，他们想要去了解背后的神经密码是什么，包括时间和空间的模式，包括这些神经的动作电位的密码，空间和时间不变化，这是一个非常困难的问题，我觉得我们还有很漫长的道路要走，才能够真正的解密神经密码。
首先，我们的神经环路很复杂，这张图片是实验室里大鼠脑部的神经图片，我们看到很多不同的细胞通过非常复杂的方式，通过各种各样不同的神经元联系在一起。其次，也就是神经环路的模式结合了数以万计的神经元，这本身就是复杂无比的。这是抓拍了来自大脑神经元的的影像，这个影像记录了高清晰度的大脑神经像素的变化过程，而且是同步的记录。
这是抓拍了鼠脑的视觉皮层的变化，每一个神经元、每一个点代表着一个神经元的凸触。有些神经元很平静，有些神经元很活跃，而在这个神经元变化的模式，包括视觉皮层神经元变化的模式也有不同的模式。有一些看上去让我们想起了摩尔斯电码，但是问题是我们不知道密码，我们不知道这些神经元相互之间是怎么沟通的，所以这就是一个巨大的挑战，我们现在有两大传统方法在神经科学领域来应对这样的问题。
首先是传统的记录方式。，上一张纪录片典型的传统记录方法。它通过多单位的记录，记录了大脑神经元的变化情况，同时保存了电脑受电击的情况以及记录了动物神经元的变化状况。这是这个领域的先驱，这是非常基础的研究。我们可以了解到大脑皮层感觉的变化，这种传统的方法提供了一种相互联系的信息，这个信息是关于神经环路变化的活动情况。与此同时，对于大脑是不是真的使用这些神经元进行决策，还是一个问题。我们还有一种研究的路径叫操作的路径，或者叫操控的路径，通过这个方法我们可以了解到人类行为过程中神经元的变化情况。
这来自我另外一位同事的工作，他们进行了模拟的仿真，通过这样的研究显示了具体的大脑环路的活动情况，可能对于我们做出认知的决策来说是至关重要的。但是这两种传统的研究和路径都是平行的，所以说很难对同一个神经元进行记录，进行操控。这里有一位先驱人物，他解密了我们的基因密码。特别是他想到研发出一些新的神经科学的设备，比如说年他提及了两种新的工具，一种是运用光探索神经元的变化情况，通过这种闪光的方式来刺激神经元，同时可以记录大脑里神经元的变化情况。同时，他还提出了另外一个工具，也就是工程神经元的方法，它更敏感，就像你可以使用灯，使用光照来去进行操控和去探索这些神经元的活动。
使用光照来进行神经元的探索的原因，是因为，显而易见光照是非侵入性的，你只需要在大脑上插一个电极就可以了，而且它是没有惰性的，不会干涉正常的神经功能，非常精准，可以精确到纳米级，你可以使用不同的波长来满足不同的功能检测。它是有针对性的，你可以通过这样的光照来接触到不同类型的细胞，所以使用光是一种非常有趣且有益的方式。自从他提出这样的建议以来，我们可以看到光照的应用在探索研究神经元活动方面取得了一些突破。与此同时，我们看到另外一种方法，使用LG的灯光技术精确了解神经元的控制活动。我们能够记录神经元的活动：动物或者人物在表现某种行为的过程中，把神经元的变化记录下来，我们可以把这个闭环全面的完成这项记录，它能够将某种特定神经元的活动模式和行为结合在一起，这也是一个巨大的贡献。
我们有一些试验尝试用音乐的逻辑来进行。如果我们使用一些传感器来记录神经元的变化，特别是在神经元受到音乐刺激之后大脑回路神经元发生的变化，然后再次重新播放同样的音乐给到同样的神经元，音乐可能对于神经元的行为变化产生影响。我们也可以改变音乐播放的音调，而且我们可以选择音乐播放的顺序来真正识别，到底神经元密码中哪一个对于我们的行为影响是最重要的，这是我们总的试验指导思想。
经历了过去的5年，我们现在有了可能实现这样的梦想中的试验的全光学工具箱，用来进行神经环路的研究。这是一个非常精彩的来自世界上很多实验室的合作，通过这样的合作，我们研发出了很多仪器，让全光学试验成为可能。
首先，在记录和操控层面、基因层面可以记录，也可以去阅读和操控神经元的活动，我们可以了解整个神经元的活动，我们也有全新一代的设备，同时也使用了电压跳变的方法，我们还有一系列的探针，允许我们去关闭或者打开基因调整的神经元。有一系列的策略，包括电压跳变，允许我们在进行病毒、乃至基因层面的记录和操控。
最后我总结一下光学研究应用的策略：在正确的时间抓取正确的神经元，同时记录神经元的变化以及神经元变化对于行为的影响。
现在我给大家介绍在我的实验室所采用的设备。我们有非常好的GCaMP6传感器，它能够去记录光学记录神经元的变化，特别是记录大鼠脑皮层神经元的变化。在操控层面我们有另外一个非常好的工具，CEVE，这是有两个光子的光学基因探针，它可以让我们更好了解细胞的状态。为了能够获取正确的时间，对细胞进行正确的照射，我们使用（SLM）空间光照模块，我们把它们分成不同的电脑控制的光束，从而产生我们想要的用于照射组织的不同类型的光束，这是通过我们的操控产生的不同光束。通过这个技术画出DNA，包括UCL的方式都可以用光束来形成。
我结合了显微镜的设计，比如说我们有显微镜进行图像的处理，而且我们可以进行同步基因的记录，这是一个长光束的激光，它最后通过我们的仪器被分解成了不同的光束，所以我们可以同步的去阅读和记录细胞的神经元的变化情况。
这是我们梦想成真的试验，通过我们的仪器对大脑皮层的神经环路进行完整的记录，这让我们有可能解读个体细胞的活动，并且操纵细胞的活动。对于单细胞的处理，我们可以精确到单个细胞。我们准备了一些试验鼠，通过GCaMP6的仪器进行照射，你可以看到单体单一的细胞，这样的试验光是使用光束从而了解到细胞1的电位情况。
当我们使用了一个光学的刺激，我们可以了解到细胞1变化的模式和情况，我们也可以记录细胞1任何一个单一的行动电位。与此同时，我们可以使用GCaMP6信号，可以记录它所有的变化。这是来自细胞1、2、3GCaMP6细胞变化的情况。通过我们的模拟，我们只激活了细胞1，没有影响到细胞2、细胞3，所以这是非常精准的试验。
关于哪些细胞是活化的，我们还可以使用其他的工具，比如说使用细胞类型的标志物，来进行试验。我们标记主要的神经元，包括各种各样的细胞，并以此为根据进行分类。很多神经元的反应应答的变化情况，可以看到靶向细胞彼此有很大的不同，它们在行为和应答方面都有不同。这张图中显示的大脑皮层神经环路中的个细胞实际上产生了整个光谱的活动，包括细胞电位的变化情况。
我们现在可以针对任意数量的细胞，用光学的方法检测脑皮层输入和输出的功能，同时会活化不同的靶向细胞。我们把它们进行了分类，无论是激活还是什么样的变化，可以看到这基本上是一个线性的关系。其恢复的过程会比我们想象的更慢，你所预期的是在你增加了细胞活动的同时，你需要去终止，否则会造成皮层的破坏，会出现癫痫这样的情况。这就是为什么我们要把这个功能放在神经环路的背景下进行考虑，没有其他的方法或技术能够给我们提供这样高精度、高清晰度、非常准确的输入输出功能的控制，并且产生这样非常重要的数据，而这些数据是和脑皮层功能密切相关。
到目前为止，我给大家展示的是我们用光学进行检查随机选择的细胞的情况。在脑皮层当中，根据它的功能特点，具体的细胞会有什么特征上的变化呢？我们根据10年的试验所了解的是，脑皮层对于不同的传感器发出的光线会有不同的反应，所以我们会有意识地选择、活化大脑皮层神经元。比如说大脑视觉皮层，首先可以进行影像的绘图，有一些是水平的运动，有一些神经元不会有任何的反应和应答，所以我们会通过绘图，针对这些个体功能的子群神经元进行针对性的研究。我们问的问题是：这些有选择的神经元，是不是对于外部的刺激，相比其他神经元有更强烈的反应呢？我们进行了相应的刺激之后，结果显示没有任何的不同，这也排除了这样的假说，也就是有选择细胞更容易被活化激活的假说已经通过我们的试验被排除了。这样的应答可能根据不同的神经环路产生不同的变化，因为针对某个特定功能的细胞群，前提是在基因相同的样本中，在活化整个细胞群的过程中，这是很强大的工具，同时这也是非常有枯燥的试验，你要进行绘图，录制影像。我们的学生对于细胞进行影像的拍摄，他们回家之后会对影像的数据进行分析，制作出这个图，然后会进行刺激试验，整个过程是非常繁重且枯燥的。
我们怎么样加速工作的进展呢？我希望能够给学生减少工作量，帮助他们提速，提高试验的效果。为了能够更快的阅读，我采取的方法是在正确的时间对正确的细胞进行活化，使整个实验的路径成为闭环。
这种想法是受到来自工程学闭环系统灵感的影响。比如说房间里的空调维持房间的温度，而且温度是固定的，通过升温或者降温的方式，汽车也是一样的。比如说我从伦敦到成都的飞机，它们有自动驾驶，自动驾驶系统采取的原则也和这个原则差不多，其实都是相通的。使用全光学手段的闭环策略去控制神经元是非常好的想法，所以我们尝试硬件和软件相结合去实现这个目标。首先会进行快速的在线分析工具读取神经环路的信息，我们使用这些信息针对正确的神经元，在正确的时间，来完成这个闭环，来实现实时的闭环神经环路的控制。
稍后我们能够实现不同类型的回馈控制，通过控制神经元的表现和行为，我给大家展示两个例子，也就是你怎么样进行不同的试验来控制神经，包括控制神经空间和时间体量的变化。通过数十年对于神经元平均时间、空间体量变化的研究，我们可以使用这个信号作为一个神经元信号传导的代理，可以使用闭环的控制来控制神经元，然后通过刺激的方式，让单神经元在脑皮层进行一个视觉的表达，然后完成闭环，之后压迫主要的信号通路，使用不同程度的信号通路进行控制。这是非常可靠的，把它分成三层，我们可以使用独立的收集系统，这个平均的数据展示了每隔10分钟可以捕捉到信号，这恰恰符合我们的预设。
输出层面的结果也是令人满意的，我们可以进行独立的检查，检查它的电位变化的情况，这是一个线性的过程，最终能够让我们从光学层面控制单一的神经元变化。有一些环路使用的是空间密码，有些使用的是时间密码，我们在进行这样的试验过程中要注意时间点，所以使用不同的方法能够解读某个特定的激活，诱发神经元的变化情况。我们能够了解，并且能够活化一系列的靶向神经元。
这是我们的目标，当我们检测激活神经元的时候，我们就能活化相应的神经元，这个过程是促成神经元活动之间的联系，加强它们之间的互动。这是一个非常经典的关联性的分析，有些试验是基于单一的神经元和多目标、多靶向的神经元。这个方法是很灵活的，你可以进行不同类型的神经环路的分析，而我们可以同步的解读出它们的活动。这是个体激活的神经元和受体神经元相互之间的联系，将激活和靶向神经元结合在一起。我们另外一个专家是一位心理学家，他提出神经环路的网络在记忆功能中的作用。我们看到大脑凸处的强化对大脑记忆力的提高是有帮助的，这也和神经元A和神经元B有联系，而实际上神经元之间是相互互动、相互作用、相互联系在一起的。记忆在大脑中的存储，怎么样进行记忆，这样过程中神经元的分析是很困难的，我们将大脑中不同家族的神经元进行结合、分析，我们可以通过这样的光学分析，从神经元的角度来解决我们行为上的问题。
我们有靶向的神经元，或者叫激化的神经元，或者是使用闭环策略，让它们相互之间作用，就可以看到它们相互之间联系在了一起。我们关闭了闭环，可以看到最终出现了神经闭环的模式。我们进行了两种不同类型的试验，一个是闭环的试验，我们将激活的神经元和靶向神经元结合在一起，了解一下它们在大鼠大脑皮层中的行为变化的作用。第二种类型，同样程度的神经元，我们把这两者结合起来，这是一揽子的方法，这是一个反联系的、孤立的研究方法。
我们最终的结论是令人非常震惊的，当我们应用闭环的策略，这就会产生一个长期的变化，这也展示了神经元的活跃程度。首先是基线，然后是调整期，可以看到闭环将激活的神经元细胞和其他神经元细胞结合在一起，而这和我们之前所进行的对照实验室是完全不同的，在试验过程中差不多持续了一个多小时，我们会进一步进行试验。
接下来，我们会了解长期的机制。首先可以看到的是激活神经元和靶向神经元之间的联系，在此过程中可以看到在激活的神经元和靶向神经元之间产生的联系，它们达到了一个峰值。使用我们光学的仪器和方法，我们可以精准的了解神经闭环的情况以及了解活动是发生在神经闭环的哪一个位置。我们预测在闭环的过程中可以加强神经元的活动，比如说可能是上游的、下游的变化，最终会造成我们在观察的过程中发现神经群的变化增加。现在这些光学的方法都是可以起到控制作用的。
光是使用光学仪器来记录和操控单细胞，可以记录神经元的活动，并且也可以了解某个特定的神经元的活动类型和行为之间的关系，这对于解读神经密码来说至关重要。我们长期的目标就是去操控行为，使用这样的方法来控制行为。
我花几分钟的时间给大家展示一下两种不同类型的试验，是我们利用这种策略来控制行为。训练老鼠来接受刺激之后做出反应，同时我们使用全光学的仪器来监测和操控大鼠大脑皮层神经环路的变化，我们可以将神经功能进行绘图，可以看到不同神经元群的变化情况。我们可以有选择性的刺激某一个特定的神经元，比如说有某个偏好的神经元来进行光学的刺激，可以看到怎么操控神经元来影响到行为。
最后的结果是很令人吃惊的，操控具体的神经元群，它们会对于有针对性的刺激做出反应，这取决于动物本身的状态。我们发现动物学习某个任务，或者是不学习某个任务，实际上是大脑皮层的神经元的活化。我们活化和刺激大脑里的某个神经元，就能改善它们的行为，针对某种细胞我们能够改善它的行为，一旦动物变成了行为的专家，它学得非常好，它的学习曲线也非常好，再去激活和活化同样的神经元，会让它的行为恶化、变糟。动物在处理某个任务的时候做得很好，如果再刺激它的神经元，那么它的行为就会变差，它完成任务的能力也会变差，我觉得这取决于我们的皮层什么时候介入。这是一个例子，也就是我们的策略是怎么样来操控行为的。
另外一个试验是在校园里面，我们在一个虚拟现实的环境下做的试验。很多人都知道神经元在海马体是非常重要的发现，因为它能够给我们指明方向，这个发现获得了年诺贝尔生理学奖，也有相应的证据表明，它还和我们的认知密切相关，还没有展示的是大脑怎么样使用这些信息，这些信息好像是最具有代表性的，对于导航，或者是方向感密切相关。
我们会在虚拟现实的环境下让老鼠给它寻找方向，在这个过程中我们去了解大脑神经元的变化情况，我们进行了几组试验，我们在试验之后发现经过我们选择的细胞，它们对于环境方向的认知感更强。我们使用GCaMP6的仪器探测所得出的结论，我们通过刻意的操控某个特定的细胞，然后去影响人们在虚拟环境下的定位能力，所做的事情就是活化细胞。在虚拟现实的环境中，我们欺骗老鼠，让它以为自己所生活的环境是不一样的，我们通过直接刺激细胞改变它的认知地图，因为它大脑的认知地图会对它在虚拟现实中的方向感很重要。
我给大家展示的是使用光学的策略来操控神经元，我觉得这是一个非常有效的解密神经密码的工具，能够更好的实现脑机结合，治疗一些大脑疾病，并且可以更好的研发基于神经元的计算机。我们的大脑非常复杂，可以做非常多的工作，我们可以研发出新的基于大脑的人工智能，日常生活中给我们带来便利和帮助。
（文章根据现场演讲速记稿整理，未经专家确认）
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