大脑中的一盏灯能治愈癫痫，还是能让你入睡?本周，我们将探讨光遗传学这个神秘的领域，以及它有望带来的治疗方法。此外，还有检测癌症的人工智能和打击假新闻的疫苗接种的新闻。
在这一集里
人工智能可以检测皮肤癌
与斯坦福大学的安德烈·埃斯特瓦和俄勒冈健康与科学大学的桑西·利奇曼合作。
美国的工程师们开发了一种计算机程序，它可以训练自己从病人的皮肤照片中发现皮肤癌，在测试中，它和一组训练有素的皮肤专家一样成功。斯坦福大学博士生安德烈·埃斯特瓦是发明者……
安德烈:我们所做的是建立一个计算机算法，就像一个计算机程序，它可以与委员会认证的皮肤科医生在识别皮肤病变图像是良性还是恶性方面的表现相匹配。我们已经在三个非常重要的医学诊断用例中对它进行了测试，其中包括识别癌症，包括从良性肿瘤中识别基底癌和鳞状癌，以及从正常的普通痣中识别恶性黑色素瘤。
克里斯:你是通过显示这些病变的计算机程序图像来做到这一点的吗?
安德烈:没错。我们使用数据驱动的方法，与以前的计算机程序不同，你会告诉计算机做第一步，第二步，第三步，相反，我们所做的是给计算机提供大量的数据。我们给它看图像，告诉它这些图像是什么，例如，恶性黑色素瘤，它通过训练过程学习如何自己区分良性和恶性。
Chris -现在当你说你给它提供了大量的数据时，请定义一下实际的数据量是多少?
安德烈:我们总共使用了140万张图片。我们使用了大约128万张普通日常物品的图像。你看，训练这个算法分为两步第一步你要教算法这个世界是什么样子的。你向它展示日常物品的图像，比如猫和狗，桌子和椅子。第二步，你给它看皮肤病的图片我们将使用近13万张皮肤病的图片超过2000种不同的疾病类型。
Chris -所以它首先知道要找的是先验的东西，然后一旦它知道要找的是什么，那是皮肤，那是皮肤病变然后它开始提取相应的数据告诉它可能的诊断是什么，良性的，恶性的，什么样的恶性疾病?
安德烈，你说得差不多，是的。
克里斯:它怎么知道自己做对了?
安德烈-我们知道真相。所以我们有了一堆算法从未见过的图像。在我们训练了算法之后，我们在2000张不同的图像上测试了它，所有的活检都经过了验证，这意味着病理学家已经确认了它们是良性的还是恶性的，所以我们可以衡量它的准确性。
克里斯-它有多准确?换句话说，它有多好?
安德烈:我们在这项工作中所做的是逐图比较。我们给皮肤科医生看病变的图像然后给算法看完全相同病变的图像。我们问他们是否进行活组织检查或治疗这个病变，或者你是否会让病人放心，这让我们能够确定每种疾病的敏感性和特异性。我们发现，该算法的表现与所有经过测试的专家不相上下。
克里斯-事实上，它的表现和21位皮肤科医生或皮肤科医生一样好，甚至更好。那么专家们是怎么看的呢?
Sancy -我叫Sancy Leachman。我是俄勒冈健康与科学大学皮肤病学系主任。
我们在皮肤科遇到的困难是不能很快看到足够多的病人，他们可能有一些值得关注的问题。这个特殊的机器可以让他们的痣或皮肤损伤很快被客观的来源检查出来，而不需要皮肤科医生在场。
克里斯:我们知道一张特定皮肤疾病的照片是否和皮肤疾病的真实表现一样好吗?
桑西:我们确实有一些数据。已经发表了一些论文，研究数字图像是否和真人考试一样好。事实证明，它并不完美，没有那么好，但非常非常接近。离得很近，可以对病人进行分类。能够告诉人们你是否真的需要去看医生或者这是否足够清楚，我们可以避免去看医生?当你有一个负担过重的医疗保健系统时，这是巨大的。
Chris -我们应该了解NHS的所有情况。但你认为它能解决的问题有多大?这个有多大?
桑西:嗯，我的意思是，当你在谈论这第一步时，想想所有的皮肤病学如果你真的用它来检测各种皮肤疾病，那将是相当大的。但如果你想把它应用于皮肤病学，然后扩展到放射学，病理学，或眼科，那么你就在谈论它扩展到整个医学领域，它是巨大的，绝对是巨大的!
克里斯-你觉得这样可以吗?你不认为这里可能会有一些缺点吗?因为你是用计算机程序代替人类，而计算机程序没有情感，它们没有人类的本能，而且，它们可能也不会发现其他明显的诊断，而一个长了痣的人实际上是良性的，他们不必担心，但另一件下周会杀死他们的事情却完全被忽视了?
桑西:是的，这显然是个问题。这与我们在飞机上使用自动飞行系统(制导系统)没有太大的不同。你还是需要那个飞行员来控制。我认为这与这种技术类似，你想要一个后备人员，我确实认为这种错误的安全感部分是你仍然需要一个人来决定什么损伤需要由机器检查。所以你最终可能会有一个人想要检查他们认为不好的东西，但结果是他们的背部有更糟糕的东西，他们甚至不知道，如果他们亲自去看医生，可能会被发现。
烤土豆会致癌吗?
我是英国癌症研究中心的Jasmine Just
英国食品标准局最近发布了一项关于化学物质丙烯酰胺的健康警告，称它可能致癌。丙烯酰胺存在于面包和土豆等淀粉类食品中。这一警告恰逢一项名为“追求金色”的新健康倡议的推出，该倡议鼓励我们只把食物煮成金黄色，而不是棕色或黑色，以帮助减少丙烯酰胺的含量。Tom Crawford采访了英国癌症研究中心的Jasmine Just。
茉莉花-丙烯酰胺本质上是一种自然产生的化学物质，所以我们不会把它添加到食物中，它只是自然产生的。它主要存在于食物中，当这些食物在高温下烹饪，特别是长时间烹饪时，所以通常是在食物被烘烤，油炸，烤或烤的时候。
如果我们看看丙烯酰胺最常见的食物，那就是薯片、薯片、饼干、面包和蛋糕。我提到的这些食物都含有形成丙烯酰胺的基本成分。有一种特殊的反应，它有一个很长的名字，叫做酰亚胺反应，基本上这是一种发生在食物中的糖和氨基酸之间的化学反应。当这两种物质，糖和氨基酸，和水发生反应，就会产生丙烯酰胺。这就是食物呈现棕色的原因，它也能改变食物的味道，所以它会给食物带来你可能知道的烤焦的味道。
汤姆:所以我们在考虑烤土豆还是烤面包?
贾思敏:是的，没错。这就是恶意反应。
汤姆:为什么丙烯酰胺不好?这里潜在的问题是什么?
茉莉:这种担忧主要来自于大量的动物研究，这些研究发现丙烯酰胺有可能破坏我们体内的DNA，基本上，DNA损伤会导致癌症。但重要的是，人们要记住，同样的过程还没有在人类身上建立起来。所以我们没有数据，我们没有证据表明丙烯酰胺和癌症风险之间存在联系，所以我们需要在这个领域进行更多的研究。
汤姆:实际风险有多大?
茉莉-这种风险基本上被描述为“可能的风险”。“这绝不是一种明确的风险，我指的是癌症。”如果我们将丙烯酰胺的风险与吸烟、肥胖等进行比较，基本上我做不到。我们不能说，如果你摄入了一定量的丙烯酰胺，你患癌症的风险就会是y。我们只是没有数据或证据来说明，根据丙烯酰胺的摄入量，你患癌症的风险有多高。
汤姆:从你之前所说的，在我看来，它在饼干和脆饼中含量最多。它们通常是不健康的，所以我们要尽可能地避免这些食物?
贾思敏:是的，完全正确。这就是我们来自英国癌症研究中心的信息，我们不想告诉人们不要吃特定的食物。我们不想说避免偶尔吃烤土豆或者尽量避免吃烤焦的吐司。我们的主要信息是，人们首先应该保持健康均衡的饮食，而健康均衡的饮食是指无论如何都要减少这些食物的摄入。是的，就像你提到的，薯片、薯条和饼干。它们不是日常食物，一开始就不应该经常吃。
汤姆:我们还有其他方法可以降低风险吗?
Jasmine -英国食品标准局还建议，例如，如果你要烹饪薯条，只要按照包装上的烹饪建议去做。他们还提出了一些建议，比如不要把土豆放在冰箱里，因为冰箱会增加土豆在烹饪时产生丙烯酰胺的可能性。
汤姆:我觉得把土豆放在冰箱里太疯狂了。
茉莉:是的。我个人不会把它们存放在那里。
汤姆:不，我也是。
贾思敏——如果你想——不要!另一件事是，英国癌症研究中心真的想让大家明白，还有其他因素会对癌症风险产生更大的影响。所以，如果你是一个吸烟者，戒烟吧。如果你喝很多酒，试着少喝一点。保持健康的体重。这些都将对降低癌症风险产生更大的影响。奇怪的脆土豆不会对你造成任何伤害。
物种间移植可以逆转糖尿病
与哈佛大学的周乔合作
日本科学家在一种不同物种的动物身上成功培育出了一种可以治愈糖尿病小鼠的替代胰腺。山口友之和他的同事将小鼠干细胞注射到发育中的大鼠胚胎中。一旦老鼠发育成熟，他们就能将胰腺组织移植到一组糖尿病老鼠身上，在一年多的时间里固定它们的血糖水平。哈佛大学干细胞生物学家周乔没有参与这项研究，他向克里斯·史密斯介绍了东京研究小组的成果。
周:本质上，我们成功地在大鼠身上培育出了小鼠的胰腺。然后我们从老鼠身上取下老鼠的胰腺并将其移植到一只患有糖尿病的老鼠身上，结果表明这可以逆转受体老鼠的糖尿病。
Chris -为什么这是一个突破?
周:首先，这是以前从来没有过的。我认为，这整个过程，指出了一种潜在的方式来培养器官，以供未来临床应用于人体器官移植。我认为这是最令人兴奋的部分。这是一个概念验证。
克里斯-他们是怎么做到的?
▽周=他们的方法是将小鼠多能干细胞(也称为胚胎干细胞)注射到一个非常早期的大鼠胚胎中，这种干细胞能够产生所有的组织和身体部位。此时，胚胎只是一个细胞球。小鼠注入的干细胞与常驻大鼠的干细胞混合在一起，形成了一只大鼠。但在这只被称为嵌合鼠的老鼠身上，每个组织和身体部位都有大鼠细胞和小鼠细胞。胰腺也是如此，正常情况下，大鼠细胞和小鼠细胞是正常的混合物，除了这个例子，科学家用一种方法抑制了大鼠胰腺的生长所以胰腺本身完全，或者几乎完全由小鼠细胞组成。
他们就是从那只老鼠的胰腺组织中提取出这只老鼠的胰腺然后把它放回其他老鼠身上来证明它作为胰腺组织能够控制它们的血糖?
周:对，没错。他们使用的不是整个胰腺，而是一组细胞，也就是所谓的内分泌细胞。这些是胰腺的激素分泌成分，分泌胰岛素来调节血糖水平以治疗糖尿病
Chris -现在在供体老鼠体内生长的胰腺，这个组织是完全由老鼠组织还是有其他老鼠组织?因为问题是，尽管他们阻止了胰腺的形成，但并没有阻止像血管这样的重要结构的形成。那么他们最终得到的是老鼠胰腺组织和老鼠血管吗?
周:确实是这样。你说得很对，胰腺中的大部分细胞都来自供体老鼠，但一小部分细胞来自宿主老鼠，包括血管。
克里斯-难道你没有考虑到当你移植组织的时候，如果你将来在人身上使用类似的技术，你可能会用那个器官移植动物的血管组织，你可能会对外来组织产生相当恶毒的免疫反应这会破坏你的供体组织?
周:当然。这是一个主要问题。但在这项研究中令人惊讶的是，他们已经表明，如果你用一种相对温和的免疫抑制剂治疗受体小鼠几天，这似乎足以抑制排斥反应。
克里斯:做这种事有什么危险?如果我们看到这个成果，我们开始把它作为人们的备用零件来源，会出什么问题呢?
很明显的危险在于创造出人类和动物的嵌合体。你不希望人类细胞进入动物的系统，甚至形态特征。
克里斯:有感染之类的风险吗?我们有没有可能带一些额外的感染货物一起去那可能会给大家带来一些问题?
周:是的。长期以来一直有人担心，例如，猪体内存在可以四处传播的异种病毒。但是有一些新技术正在被应用，例如，波士顿的一个小组已经能够从猪基因组中消除所有的异种病毒。所以我认为这项技术可以让我们得到一个超级干净的动物，没有任何可能传播的病毒。我认为这在技术上是可以做到的，人们已经朝着这个方向迈出了重要的一步。
神话-大脑训练真的有效吗?
与金妮·史密斯
在我们的常规“神话概念”中，金妮·史密斯做了一些大脑训练……
Ginny——如果你每天花15分钟玩一些简单的游戏就能提高你的记忆力、注意力和反应时间，你难道不想这样做吗?这就是市面上大量针对手机或平板电脑的“大脑训练”游戏所提供的内容，但它们的说法似乎好得令人难以置信。
事实上，自从大脑训练游戏第一次成为主流以来，科学界就一直在争论这些活动是否真的能让你的大脑变得更有效率。
这个前提似乎是有道理的。我们使用得越多，脑细胞之间的联系就会得到加强，我们也知道，大脑可以根据我们使用它的方式发生明显的变化:以出租车司机学习伦敦布局的研究为例。在出租车司机学习了伦敦路线图后，他们大脑中被称为海马体的区域比他们开始接受出租车培训之前要大得多。海马体是在心理上为我们绘制世界地图的。
因此，有很多研究表明，大脑训练游戏也有思维敏捷的好处，这似乎并不奇怪。但是，最近的一项研究表明，事实上，任何有益的证据都太弱了，无法支持公司的说法。所以你可能想省下你的钱，买一本填字游戏的书代替!
因为在《公共利益的心理科学》杂志上，由伊利诺伊大学的丹尼尔·西蒙斯(Daniel Simons)领导的一群心理学家，包括来自剑桥、佛罗里达和密歇根的研究人员，仔细审查了374项研究，这些研究被领先的大脑训练公司引用，以支持他们的产品。
分析表明，大多数研究都没有达到他们所定义的“最佳实践”:它们不是好的科学!这些研究的样本量很小，或者缺乏对照组或适当的基线，这使得结果充其量是可疑的，更有可能是毫无意义的。
许多研究也未能解释安慰剂效应:如果你被告知玩游戏会让你在某件事上变得更好，你可能会因为自己的期望而变得更好，而游戏根本没有任何帮助。
也就是说，在团队回顾的研究中有一些可靠的研究。但令人遗憾的是，这些并没有显示出对大脑功能有任何实质性的好处。相反，人们只倾向于在被训练的任务上做得更好。
人们常把大脑比作肌肉。他们说，就像在健身房举重可以增强你的上半身力量，让你更容易把购物带回家一样，体操也可以帮助大脑保持最佳状态。
不幸的是，大脑不像肌肉，这似乎不适用于大脑训练游戏。使用它们的人确实会在特定的游戏中变得更好，但不幸的是，这并不能延续到你日常生活的其他方面。
也就是说，有些人可能会从中受益。剑桥大学(Cambridge University)的芭芭拉·萨哈基安(Barbara Sahakian)为精神分裂症患者开发了一些大脑训练应用程序，帮助他们提高记忆力，他们已经看到这些好处可以延续到患者的日常生活中。但是，仅仅因为某些东西对患有特定疾病的一个子群体有效，并不意味着它一定会对我们其他人有益，或者所有的大脑训练游戏都会有同样的效果。
所以，如果大脑训练游戏不能帮助你保持敏锐，那么你能做些什么来确保你的大脑保持健康呢?幸运的是，答案是肯定的，而且是免费的!有很多证据表明，体育锻炼对大脑和身体都有好处，就像健康的饮食和积极的社交生活一样。所以，如果你想避开时间的摧残，那就放下电脑游戏手柄，找个人陪你出去散散步吧……
气候变化:打击假新闻
与剑桥大学的Sander Van Der Linden和剑桥大学的Doug Crawford Brown合作
随着2016年被宣布为有记录以来最热的一年，很多人都在谈论气候变化。但并非所有人都同意人类实际上正在改变我们的气候。唐纳德·特朗普在推特上发了一条著名的推文，称这是中国人精心策划的骗局。有很多网站也在争论这个问题，这可能会让普通人感到困惑。值得庆幸的是，剑桥大学的科学家们想出了一种保护人们免受假新闻侵害的方法，那就是接种疫苗。乔治亚·米尔斯去接种了疫苗，但她首先与气候专家道格·克劳福德·布朗联系，看看科学家们是否真的同意这个问题。
道格:绝大多数都是。通常你会看到98%的相关科学家同意2%的局外人。这是目前制定政策措施所需要确定的。当然，我们得到了一些相互矛盾的信号，所以我们预计温度可能会持续上升，但事实并非如此，它从2005/2006年开始稳定下来，直到现在才开始再次上升。因此，这一点信息提供了一种平衡，与压倒性的信息相抗衡，这些信息表明，气候实际上正在发生变化，并将在未来几十年内发生巨大变化。
格鲁吉亚-为什么会出现这种稳定?
道格:嗯，它有很多不同的原因。其中一些与厄尔尼诺-拉尼娜周期有关。其中一些与热量被推入海洋的问题有关，直到海洋达到平衡，然后再回到大气中。所以有很多原因但是它确实在温度上产生了这个扶梯或者阶梯函数。
乔治亚-所以科学家们，扩大，同意…但他们是吗?网上有一份由3万名科学家签名的请愿书，声称气候变化是一个谎言——听起来很有说服力。甚至还有查尔斯·达尔文和辣妹组合的签名!等一下，这听起来可能不是真的。剑桥大学的Sander Van Der Linden发现，给别人看这样一份假的请愿书和一篇真实的文章，它们实际上是相互抵消的。那么你该如何应对呢?他和他的团队认为，如果假新闻是病毒，也许你可以接种疫苗。
桑德斯:是否有可能先发制人地让人们防范假新闻?我们这样做的方式是在简短的接种中我们首先警告人们有政治动机的团体在那里有自己的议程。在详细的接种中，我们超越了专门揭穿人们所看到的错误信息，所以基本上是用事实来反驳这些信息。然后我们向人们展示了真实的错误信息，发现他们在预先接触并接种了这些信息后，对这些信息的抵抗力更强。这种让人们预先接触信息(揭穿信息)的过程有助于人们建立这种反驳论点的储备，他们可以用它来抵制这种影响和错误信息。
乔治亚州——通过向人们展示这一警告或免责声明，桑德和他的团队发现，你可以有效地让人们预防假新闻故事，这样它们对你的整体观点的影响就会小一些。合法的新网站，如BBC或社交媒体服务，可以将其作为应对这一趋势上升的一种方式。但为什么假新闻似乎有这么大的吸引力呢?
桑德:我感兴趣的一件事是我所说的共识心理学。所以我们倾向于在很多领域关注共识其中一个是社会领域。他们的工作方式是，当有一种隐含的共识或社会认同认为某件事很重要时，我们倾向于在没有深入思考的情况下与之互动。所以，如果某件事被播放了一百万次，一段视频被观看了两百万次，人们就会不假思索地分享它。所以我认为，仅仅因为它很吸引人，它向人们发出信号，这一定很重要，因为每个人都在关注它，这就创造了一种自我维持的机制。当一些东西被分享时，就像病毒一样，它以非常高的速度复制，以这个速度它可能会推翻实际新闻的速度。我认为干预这个过程实际上是最关键的因素之一，试图阻止人们在处理事实之前分享信息，希望科学能够胜出。
乔治亚州——科学必胜。但为什么气候变化似乎特别吸引了这些假新闻文章和阴谋论?又是道格拉斯·克劳福德·布朗……
道格:部分原因很简单，尽管我们已经研究了200年，但这门科学仍然相对较新。这门科学相对较新，在过去的15年里，我们才开始获得真正有力的信息。所以公众部分落后于科学的发展。但主要的问题是，如果事实上没有气候变化，我认为是有的，那么我们就会看到人们的生活方式发生了一些潜在的巨大变化，人们通常不想改变他们的生活方式。他们宁愿制定一项针对不良行业的政策或类似的政策。他们不喜欢认为是自己的生活造成了问题，每当你知道一项政策将导致你不得不做一些戏剧性的事情时，你就会倾向于退缩，说也许根本没有问题。
乔治亚州——我知道社交媒体上有这样一个问题，人们正处于泡沫之中，你更愿意处于哪个泡沫中——是告诉你每个人在几年内都会遇到真正的问题的泡沫，还是说我们都会没事的泡沫?
道格:是的。这实际上是与社交媒体相关的问题，尤其是当人们越来越多地从Facebook等网站上获取新闻时，你可能会陷入一个小泡沫。你去那里是因为你喜欢你在那里听到的东西，然后因为你喜欢它，你倾向于不断地回到同一个地方。如果这些社交媒体信息的来源是完整和公正的，并给你完整的信息，那么我就不会这么担心了。但当然，他们不是，他们试图哗众取宠，他们试图吸引很多人喜欢，等等，你倾向于相信你喜欢的东西。
是藻类引发了这一切
与剑桥大学的Otti Croze和剑桥大学的Kyriacos Leptos合作
这可能听起来像科幻小说，但光遗传学科学家可以通过简单地将光照射到动物的大脑中来控制动物的行为。这项技术始于藻类!这些单细胞植物由太阳提供能量，内置光探测器来控制它们的行为。这一发现，以及对光敏感蛋白的分离，导致了我们现在称之为光遗传学的科学的诞生。Tom Crawford拜访了剑桥大学的Otti Croze和Kyriacos Leptos，试图捕捉这些令人难以置信的生命形式，以及在这些极端条件下的环境……
汤姆:大约零下10度。不是的，但是天气很冷，我们要去捕一些藻类。但我们要做的第一件事就是打破冰，这就是它有多冷，我们有一杯冰冷的水，我可以看到一些盐和淤泥，还有一些漂浮在里面的东西。希望这里有一些藻类。
奥蒂:我们可以希望。
汤姆:奥蒂，从结冰的池塘里舀水很有趣，但我们到底在找什么?
奥蒂:我们正在寻找微小的藻类，它们大约是人类头发的百分之一毫米或十分之一，所以这些藻类是肉眼看不到的。但藻类是一种极其多样化的生物，有些藻类实际上是微观的，比如你可能在寿司中吃到的海藻。
汤姆:我们正在寻找一种特定的藻类，可以用于光遗传学领域吗?
奥蒂:是的。我们不能保证能在这个池塘里找到它。但是光遗传学是从土壤微藻莱茵衣藻中诞生的，所以这是我们想要找到的理想的东西。
汤姆:正如奥蒂提到的，我们正在寻找衣藻。这是一种单细胞的海洋植物，它有叫做鞭毛的手臂，它用鞭毛向光源游去，这样它就可以进行光合作用并制造食物。它通过一种叫做通道视紫红质的蛋白质来做到这一点，这种蛋白质对光敏感。这触发了鞭毛的移动，并推动藻类向光移动。但是，通过从藻类中提取通道视紫红质基因并将其引入大脑中的神经细胞，科学家们可以像开关一样使用它来打开或关闭这些神经细胞，只需将光线照射到它们上。
现在让我们回到舒适温暖的实验室……
我看到长凳上有一些样品，还有一瓶看起来像清水的东西。但是，如果你看右边，整个容器内部都是绿色的，几乎就像藻类集中在一个地方一样。基里亚科斯，这是怎么回事?
Kyriacos -这是一种叫做趋光性的现象。这基本上是微藻的一种行为。藻类可以进行光合作用，所以它们可以吸收光来产生生物量。它们需要能够探测到光线，这样它们才能生存。
汤姆:所以这里的藻类移动到容器的右边是因为右边有一个窗户?
基里亚科斯-是的。趋光性实际上是朝向光的定向运动。所以它们需要一个传感器来探测光线，这个传感器被称为眼点。在光遗传学中使用的是眼点的一个特定部分，它实际上是感知光的部分。
汤姆:基里亚科斯所指的那部分眼斑是我之前提到的蛋白质通道视紫红质。现在看看我们能不能从结冰的池塘里钓到什么。
好吧。我现在往下看显微镜，我可以看到一个小小的跳舞圈。我们发现了什么类型的藻类?
Kyriacos -从它的形态来看，它可能是海藻，但你不能仅仅从外表上确定。为了绝对确定，你必须对它进行排序，然后藻类的DNA区域就像条形码一样，让你能够非常独特地识别物种。
汤姆——考虑到池塘已经结冰了，我们居然找到了东西，真是令人印象深刻!
光遗传学解释
与伦敦大学学院的伊莎贝尔·克里斯蒂合作
我们如何从对光有反应的藻类中得到控制大脑的信息?凯特·阿尼和来自伦敦大学学院的伊莎贝尔·克里斯蒂一起解释了光遗传学是什么以及如何……
伊莎贝尔:幸运的是，我们可以使用非常聪明的遗传学从池塘生物中提取这些基因，并将它们放入病毒中。然后我们可以将病毒注射到活体动物的大脑中，比如小鼠或大鼠。我们选择用病毒作为目标的细胞会开始表达那种光敏蛋白。
所以我猜就像你感冒的时候，病毒会把病毒基因传递给你，让你流鼻涕之类的?你真的把这些感光基因植入了你研究的动物的脑细胞里吗?
伊莎贝尔:当然。一旦细胞被病毒感染它们就开始产生病毒DNA并开始产生这些蛋白质。
Kat -所以蛋白质在这些脑细胞中，你如何确定病毒感染的只是特定类型的脑细胞，还是任何脑细胞?
伊莎贝尔:嗯，这是非常聪明的一点——遗传学角度，我们可以选择大脑中我们想要表达光敏蛋白的细胞。这就是为什么这个工具如此强大的原因，因为我们可以使用大脑中的兴奋性细胞或抑制细胞，我们可以明确地瞄准我们想要使哪些细胞对光敏感。
Kat -在大脑中形成一团神经细胞有什么好处?你把这个分子放进去让它们对光敏感。所以你用一盏灯照他们，他们就会“哇”——然后你会怎么做?
伊莎贝尔:一切都是为了控制。作为神经科学家，我们想要了解大脑的神经回路，而我们可以开始理解的方法之一就是尝试控制它们——随心所欲地打开或关闭它们。神经科学面临的一大挑战是无法同时控制特定的脑细胞。更传统的技术，比如使用药物，往往会同时影响许多脑细胞。所以当你把药物直接放入大脑时它会在大脑中扩散并影响该区域的所有细胞。
光遗传学真正聪明的地方在于，如果我们只让一些脑细胞对光敏感，当我们把光照射到大脑的那一部分时，只有某些细胞会做出反应。这让我们有能力以一种非常特殊的方式控制大脑，所以我们可以用一种以前用药物无法做到的方式来测试假设。
所以你可以说，好吧，如果这些细胞继续存在，会发生什么?
伊莎贝尔:没错。我的一些研究是关于如果我们打开这些细胞，在核磁共振扫描仪上会发生什么?动物的大脑里发生了什么?或者，如果你正在研究一种特定的疾病，你认为某些特定的细胞负责导致大脑中的某些事情发生，你可以打开这些细胞，并以非常直接的方式真正验证这个假设。
凯特:我们已经有了这些基因，它们被传递到神经细胞中，它们制造这种光敏蛋白，它们被激活，但是如何让光进入大脑呢?上次我看的时候，他的脑子里一片漆黑。
伊莎贝尔-是的。我想这是光遗传学的一个尴尬的方面。最早的一些实验是在一个培养皿里用一块活脑组织做的。这很简单，你可以通过显微镜物镜或光纤传递光，但现在大多数光遗传学都是在活体动物身上进行的。所以当我们把病毒直接注射到大脑里的时候我们会在大脑里植入一根光纤。然后，在实验当天，你可以来把一根光纤连接到动物的头部外部。
凯特-所以这有点像插入一个遥控器?
伊莎贝尔:真的。如果你在互联网上看光遗传学的图片，你真的会看到行为自由的动物，它们的后脑勺上插着光纤。所以当你看到这些图像时，它看起来很令人震惊。
凯特-但他们应该没事吧?
伊莎贝尔:光遗传学是一个侵入性的过程。你将病毒注入大脑，然后将光纤植入大脑。但这项研究的一些强大之处在于，你可以在行为自由的动物身上做实验，所以如果人们设计出非常聪明的技术，把动物的头和光纤连接起来，这样它们仍然可以在笼子里走动，探索和做自然的行为。
Kat -为什么这个工具这么强大?
伊莎贝尔-能够以一种特殊的方式控制大脑。你可以在你想要的时候打开和关闭细胞。有很多假设。我觉得几乎每个神经科学家都在尝试使用光遗传学，因为它给了你一种我们以前从未有过的控制水平。
感觉像一个非常令人兴奋的新工具。我的专业是遗传学，我正在研究基因编辑的crispr技术，以及精确激活细胞和激活神经细胞的光遗传学。是不是感觉我们终于有了这个工具?
伊莎贝尔:我认为这是我们在神经科学领域拥有的最强大的研究工具之一，我认为它已经揭示了很多关于大脑的知识，这是神经科学的前沿和激动人心的时刻。
凯特——你认为它会获得诺贝尔奖吗?
伊莎贝尔:当然!我想卡尔·德萨罗和埃德·博伊登可能还有杰罗·梅森贝克也会分享。
而且，就像你说的，有很多不同的想法需要测试。
伊莎贝尔:我的意思是范围太广了。它不一定都在大脑内部。你也可以观察周围神经，也可以观察身体的其他部位。它非常强大。
利用灯光让苍蝇入睡
Gero Miesenboeck，牛津大学
现在我们在光遗传学中有了这个不可思议的神经学工具，我们究竟能用它做什么?Gero Miesenboeck是光遗传学领域的先驱之一。他正在果蝇身上使用这项技术，只要朝果蝇的方向闪烁红灯，果蝇就能进入睡眠状态。汤姆·克劳福德去牛津大学见杰罗，并找出原因。
长期以来，神经科学只是被动地记录大脑的功能，并试图从这些观察中得出结论。但是，当然，为了真正理解一个系统是如何工作的，你必须能够控制它。我们通过将编码光传感器的基因与与神经细胞特定特征相关的基因连接起来来做到这一点。
简而言之，Gero的意思是他们首先识别大脑中他们认为负责特定行为的神经元。例如，苍蝇大脑中使其进入睡眠状态的区域。然后这些细胞的DNA被改变，这样神经元就可以被红光激活。
然后在实验室里测试这个理论，在实验室里，红光从上面照向苍蝇。光线穿透苍蝇的头骨，激活这些已经被基因改变的特定神经元。然后这些神经元切换，希望能让果蝇入睡。当然，前提是研究小组已经确定了大脑中控制睡眠的正确电路……
我现在在正在进行果蝇实验的房间外面我们正要进去。天会很黑。是的，正如我所怀疑的，房间很暗。有一小块绿光照亮了我在屏幕上看到的是一只小果蝇在一个很小的(一便士硬币大小)橡胶壁上。苍蝇只是坐在那里不动，有一束绿色的光从上面照在它身上。
杰罗，我在看的是什么?
杰罗:你现在看到的是一只正在午睡的苍蝇。现在大约是下午两点半，很多苍蝇都在睡觉。所以你在这里看到的不是光基因诱导的睡眠，而是正常的自然睡眠。
汤姆:好的。我们又抓了一只苍蝇，这家伙肯定不是在打盹。我可以看到他在屏幕上移动，如果我仔细看，我可以看到他的小眼睛。它在扇动翅膀，好像在给自己梳理毛发。
现在我们打开了每秒闪烁60次的红光苍蝇就停止了移动。他的腿摊开，几乎像海星，如果你能想象，如果你真的累了，你的四肢摊开，脸朝下倒在床上。就像苍蝇在做的一样，它完全停止了移动。可以假设那只苍蝇在那里睡觉吗?
Gero -从每一个行为标准来看，是的。我们知道，当果蝇处于这种光诱导状态时，它们表现出经典的睡眠特征。那就是他们不动，他们不能支撑自己的体重，他们也有更高的觉醒阈值。所以，如果你给他们，例如，一盏灯或轻拍，目的是唤醒他们，这些刺激需要更强烈才能引起反应。
汤姆:红灯现在已经熄灭了，几乎瞬间，我们的苍蝇又开始移动了。又开始摇着翅膀在盘子的盖子上爬来爬去。看到这么快真的很神奇——我的意思是我早上不能那么快醒来，所以我对苍蝇能这么快感到惊讶。
光遗传学能治愈癫痫吗?
安德鲁·杰克逊，纽卡斯尔大学
光遗传学能应用于人类吗?如果我们考虑一些可能使用这种技术治疗的主要疾病，其中之一就是癫痫。安德鲁·杰克逊在纽卡斯尔大学领导了一个名为CANDO的项目，他采访了克里斯·史密斯。
Andrew - CANDO项目要做的是一种综合疗法，其中包括一种基因疗法，利用光遗传技术使神经元对光敏感。还有一个大脑植入物，这个大脑植入物有能力记录来自大脑的电信号，并向大脑发送光来控制神经元。这项研究的目的是开发一种治疗方法，防止癫痫发作。
克里斯:当一个人患有癫痫时，他们的大脑到底发生了什么才会产生人们可能熟悉的症状——痉挛和癫痫发作。
Andrew:我们这里讨论的癫痫是局灶性癫痫，是指大脑的一小部分行为异常，神经元变得过度同步，开始以一种非常有节奏的方式放电。这种不正常的活动随后开始通过大脑网络传播，导致癫痫发作，然后与无法控制的运动、意识丧失等相关。
Chris -我们目前如何控制患有这种疾病的患者的癫痫?
安德鲁:很明显，一线治疗是药物，有很多药物可以提供，但是，在相当大比例的情况下，这些药物没有不可接受的副作用是无效的。因此，实际上有相当多的人患有癫痫，而现有的药物无法控制这些癫痫。
另一种解决方法，对于局灶性癫痫来说，就是让外科医生用手术刀切除大脑中导致癫痫发作的异常部分。但很明显，当我们谈论切除大脑的一部分时，这也有潜在的副作用，当然大脑的某些部分不能像那样切除而不会产生严重的副作用。
克里斯:那么，如果你的项目实现了，它将如何克服这些问题呢?
我们的希望是通过植入物和光遗传学技术，我们可以控制大脑的那一部分，但不会破坏它的功能。所以让大脑的那部分正常运作，同时防止这种异常活动发展并导致癫痫发作。
克里斯-跟我们说说会涉及到什么?如果你面前有一个癫痫患者他们无法用药物控制他们服用的药物有可怕的副作用，他们会怎么做，他们说对了，我很绝望。我想要其他的选择，我不想做手术，那会怎么样?
我们要做的是第一步，我们要注入病毒载体。这是从一种病毒衍生出来的但它是一种不能复制的病毒所以它是安全的。但这种病毒将被用来将视蛋白基因传递到癫痫发作区域的特定神经元。
第二步是植入大脑植入物，我们设想的是一个图钉大小的植入物，它会被植入癫痫发作的中心。这个图钉有能力监听周围大脑区域的电活动。当这些异常模式开始形成时，这种植入物就会发出光来控制附近的特定细胞，从而抑制癫痫发作活动，防止癫痫发作。
克里斯:这很像那些有心脏问题的人安装的自动植入式心脏除颤器。一旦它们接收到心脏信号，表明你可能会心脏骤停，它们就会启动电击，整理心律，你的会启动光脉冲，重置神经放电节奏?
安德鲁:没错。值得指出的是，已经有相当多的成功的设备在临床条件下广泛使用，使用电刺激来激活神经系统。也许最好的例子是深部脑刺激，这是一种非常好的治疗帕金森病症状的疗法。
现在也有人尝试用电刺激来治疗癫痫，但只取得了部分成功。部分原因是电刺激就像用大锤敲击乐器一样，你可以同时演奏所有的音符。光遗传学允许我们做的是使用启动子在特定的细胞类型中表达视蛋白(这些光敏蛋白)，然后我们可以激活大脑网络中的特定细胞类型。
我要说的另一件事是，因为我们用光来刺激，我们也可以同时记录下大脑的电系统。如果你用电刺激，那么你使用的电流比大脑产生的电流大得多，所以你不能同时记录。所以，原则上，这个闭环光遗传学允许我们做的是，倾听大脑中发生的事情，并在适当的时间进行刺激。这就像演奏乐器一样，你不仅要演奏出正确的音符，还要能够听到你周围的乐器和管弦乐队的其他成员在演奏什么，并在正确的时间演奏出合适的东西。
克里斯:到目前为止，你有什么证据表明，如果你沿着这条路走下去，把这个植入癫痫患者的大脑中，你就很有可能控制他们的疾病?
在动物模型上有一些很有前途的研究，用这种光遗传技术来控制癫痫。我们也在进行广泛的计算机模拟，使我们能够模拟光遗传刺激对癫痫网络的影响。
我们正在研究的另一个证据，但目前非常令人鼓舞，我们可以采取。正如你所说的，目前一些癫痫病的主要治疗方法之一就是从病人身上切除大脑的那一部分。在纽卡斯尔，我的同事，马克·坎宁安，在病人同意的情况下，可以在切除后取出组织并在实验室的培养皿中进行研究。所以我们现在开始从癫痫发作的实际人体组织中获取数据，并能够观察光遗传学对该活动的影响。
光遗传学会改变医学吗?
与伦敦大学学院的伊莎贝尔·克里斯蒂合作
光遗传学不仅可以治愈癫痫，还有许多其他可能的用途。来自伦敦大学学院的伊莎贝尔·克里斯蒂采访了凯特·阿尼，谈到了它是否可以应用于眼睛……
安娜贝尔:当然。正如你所提到的，视网膜上的细胞已经对光敏感了，所以治疗失明的一个明显方法就是替换有缺陷的视网膜细胞中的那些对光敏感的蛋白质。因此，2006年，通道视紫红质在失明小鼠的视网膜中得到了表达，2015年，FDA批准了通道视紫红质在视网膜上的靶向表达。据我所知，第一次视蛋白向人类的转移发生在2016年，所以我认为这是一个非常活跃的研究领域，是非常令人兴奋的事情。
Kat:人体内是否还有其他组织，其他需要被激发的组织，需要被激活的组织，这种技术可以应用于这些组织?
安娜贝尔:是的。针对心肌细胞，心肌细胞的想法让人兴奋不已。通常，心脏起搏器可以应用于患有心脏病的人的心脏，因此心肌细胞可以以类似于神经细胞的方式受到刺激。
凯特:所以你可以精确地做到这一点，而不是仅仅有一个电池组?
安娜贝尔:当然。就像你之前说的，电刺激的问题在于它就像一把大锤，你经常会同时打击很多细胞。而通过光遗传学，你可以以更局部的方式瞄准特定的细胞，所以它可能比心脏起搏器要好得多。
Kat - Andrew也提到了深部脑刺激的概念。特别是我想到了帕金森病，某些细胞不能正常工作，你想让它们发挥作用。使用光遗传学真的是一个好主意吗?
安娜贝尔:我认为这是一个很好的想法，因为已经有病人在接受侵入性手术，他们的大脑中植入了电极，所以他们已经有了一个非常侵入性的过程。但如果你要使用光遗传学，你必须将光纤植入大脑的那个部分，除此之外，你还必须对这些脑细胞进行基因改造。因此，如果我们要开始在人类身上做这个，我们必须处理的一个伦理问题是人类脑细胞的基因改造。我想可能有些人不愿意这么做。
虽然我们最近在基因治疗方面取得了很大的进展。我们已经看到了我提到的基因编辑工具，比如CRISPR，它使这些技术更准确地完成。感觉好像有一个世界在向你敞开……也许吧?
安娜贝尔-是的。我的意思是，我个人认为，如果我们能够克服与基因改造人体组织相关的伦理问题，那么它将导致许多应用和许多令人兴奋的事情，但这只是需要考虑的事情。使用深部脑刺激，你只是在大脑中植入电极。这将是一个两步的过程。我认为其中一个挑战是我们能否以一种持续的方式进行基因编辑?我们能长期而不是暂时地改变这些脑细胞吗?
Kat -似乎有很多令人兴奋的技术需要发生?
安娜贝尔-是的。这是神经科学的一个激动人心的时刻。
为什么地球的磁场是南北的?
斯图尔特:好吧，首先，你可能有兴趣知道地球有不止一个南极和北极。
格莱哈——嗯，嗯?
斯图尔特-是啊!它有地理极点——这是地球围绕着地球旋转的地球表面上的两点。但它也有磁极。这些是地球磁力线进出地球表面的地方。
但是地极和地极并不相同——它们相距几百公里。
Graihagh -好的，那么磁极是从哪里来的，为什么它们是不同的?
斯图尔特:我们目前最好的理论是地球的磁场是由地核引起的。通过研究地震穿过地球时产生的振动，科学家们估计地核是由一个固体金属中心构成的，周围是一层熔融金属。
人们认为，正是熔融层的运动创造了地球的磁场。
这就是为什么地磁北极和南极与地理上的南北方向一致，而不是东西方向。
但除了旋转之外，该层还有对流，即由高温引起的金属旋转。
正是自转和对流的结合导致了地球的磁场——这就是所谓的发电机理论。这种复杂的运动受到其他因素的影响，意味着磁极和地极并不完全一致。事实上，整个地球
历史上他们不断地交换位置!
Graihagh -幸运的是，这种情况并不经常发生-你能想象如果我们的指南针都错了会有什么灾难和混乱吗?平均来说，两极每25万年转换一次。我们知道……
斯图尔特:通过观察不同岩层的模式，我们可以推断出地球磁场在过去曾多次翻转方向。目前的研究人员使用超级计算机试图模拟和理解这种仍然神秘的行为……
但它真正的意思是，如果两极再次翻转，任何指南针都将指向完全错误的方向……
格莱哈-斯图尔特·希金斯把我们的世界颠倒了。下节课，我们将解决这个问题:
- 以前的为什么轮子有时似乎向后旋转?
- 下一个大麻能治疗多发性硬化症吗?
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