红色和蓝色的灯闪烁。一台机器就像一群远处的蜜蜂。在一个小房间大小的房间里，Yoav Adam，一台显微镜和一台视频投影仪捕获了以前从未见过的东西：神经元在一个行走的生物中实时闪烁。

几十年来，科学家们一直在寻找一种观看大脑直播的方法。神经元发送和接收大量信息 - 脚趾痒!火热!垃圾闻起来!- 速度惊人。电信号可以以每小时270英里的速度从一个电池传输到另一个电池。

但是，神经电力与电话线中的电力一样难以察觉：对于无助的眼睛，繁忙的大脑看起来像橡胶一样没有生命。因此，要观察神经元如何将信息(脚趾痒)转化为思想(“瘙痒粉末”)，行为(抓挠)和情绪(愤怒)，我们需要改变我们看到的方式。

发表在“自然”杂志上的一项新研究就是这样做的。

亚当科恩，哈佛大学化学与化学生物学和物理学教授，第一作者Yoav Adam博士及其跨学科研究小组揭示了大脑的文字光，将神经电信号转换为通过显微镜可见的火花。

享受自然

在20世纪80年代，在对死海进行生态调查期间，一位以色列生态学家发现了一种有机体，它可以执行一种巧妙的技巧：将光线转换成原始光合作用的电能。但是，近30年来，这种有机体及其天才蛋白(Archaerhodopsin 3)在死海水域中不受干扰地漂浮着。

然后，在2010年，麻省理工学院(麻省理工学院)的研究人员将蛋白质拂去，将其引入大脑，并获得了在神经元中执行其光技巧的微小工具。当他们对蛋白质增强的大脑进行光照训练时，该工具将光线转换为电能。然后研究人员可以改变神经元的发射，如果他们选择得好，甚至可以操纵动物的行为。

科恩很感兴趣。他想知道：我们可以改变这个伎俩吗?蛋白质可以将神经元的电活动转化为可检测的闪光吗?经过几年的努力，他发现了答案：是的。它可以。

磨砺工具

当用红光照射时，Archaerhodopsin可以将电压转换为光(这种和类似的工具被称为遗传编码的电压指示器或GEVI)。这种蛋白质就像一个超灵敏的电压表，就像你手臂上的头发一样，随着电动摇晃而变化。

科恩实验室将这种蛋白质与一种类似的蛋白质配对，当用蓝光照射时，它会激发神经元中的电脉冲。“这样，”Yoav说，“我们既可以控制细胞的活动，也可以记录细胞的活动。”蓝灯控制;红灯记录。

成对的蛋白质在大脑外的神经元中很好地发挥作用。“但是，”科恩说，“圣杯是为了让它在实际做某事的活老鼠身上发挥作用。”

在24位神经科学家，分子生物学家，生物化学家，物理学家，计算机科学家和统计学家之间进行了五年密集的跨学科合作之后，难以捉摸的“圣杯”出现了。首先，他们调整蛋白质以适应活体动物;然后，通过一些熟练的遗传操作，他们将蛋白质定位在小鼠大脑右侧细胞的右侧部分。最后，他们建造了一台新的显微镜，用视频投影仪定制，将红色和蓝色光线照射到活体鼠脑中，并照射到感兴趣的特定细胞上。

“你基本上拍了一部小电影，”科恩说。

通过大脑上的红色和蓝色光线，Yoav可以控制何时以及哪些神经元发射并将其电活动捕获为光。为了在明亮的混乱中识别个体神经信号，该团队设计了一个最终的新工具：一种可以提取特定神经火花的软件，如来自群体的单个萤火虫。

来自混沌的清晰度

但神经信号的传播速度远远快于萤火虫。在三分之一的时间内，你需要眨眼，科恩团队可以捕捉神经元穗状图案的精确，私密细节 - 就像飞行中萤火虫的翼位变化一样。它们可以一次记录多达10个神经元，这是现有技术无法实现的壮举，并且在三周后，可以找到相同的精确神经元来重新记录。

Yoav并不是第一个记录神经信号的人：头发稀薄的玻璃管，插入脑组织，可以完成工作。但是，这样的设备一次只记录一个或两个神经元，并且像分裂一样，必须在造成损害之前将其移除。其他工具监测钙，它们在发射时会淹没神经元。但是，根据科恩的说法，“根据你的确切方式，它比Yoav所看到的电压信号慢200到500倍。”

现在，Yoav可以进一步扩展他的视野，看看行为改变如何影响神经喋喋不休。对于他的第一次尝试，他开始很简单：一只老鼠在跑步机上走了15秒，然后休息了15秒。在这两个阶段，Yoav将蓝光和红光投射到大脑的海马区域，这是学习和记忆的中心。

“即使只是行为，走路和休息的简单变化，”Yoav说，“我们可以看到电信号的强烈变化，这些变化在海马体中不同类型的神经元之间也有所不同。”

“有些走得更快，有些走得更慢，”科恩补充道。

Yoav还观察到不同类型的活动模式：一些神经元表现出复杂的尖峰，如起伏的阿巴拉契亚山脉，而一些则射出巨大的尖峰，如珠穆朗玛峰。这种尖峰可以通过细胞膜外的探针检测到。但是，Yoav可以看到较小的电压信号，最终决定神经元是否会出现峰值。在活体动物中很少看到或研究这些亚阈值细节：正确的工具不存在。

接下来，Yoav和团队将为鼠标的跑步机环境增加更多的复杂性：粗糙的Velcro圆圈，胡须电影和糖站。尤其是Yoav想要了解更多有关空间记忆的信息 - 例如，鼠标能记得在哪里找到糖站吗?“没有人知道记忆是什么样的，”科恩说。很快，我们可能会。

与此同时，跨学科团队将继续对其错综复杂的数据进行分类，并改进其光学，分子和软件工具。更好的工具可以捕获更多的细胞，更深的大脑区域和更清晰的信号。“一只老鼠脑中有7500万个细胞，”科恩说，“所以根据你的观点，我们要么已经做了很多，要么我们还有很长的路要走。”

但Yoav在推动五年发展挑战以达到“圣杯”的同时，将继续向前推进。对他来说，最终的结果总是看起来很可能：“我能看到光明。”