大脑地图设计：19岁手握3个MIT学位，26岁开创光遗传学时代

2020 年 3 月，奥地利企业家协会宣布大脑地图设计，授予麻省理工学院神经技术 Y. Eva Tan 教授 Edward Boyden 2020 年度 Wilhelm Exner 奖章（Wilhelm Exner Medal），以表彰其在科学技术领域的杰出贡献。

该奖章以奥地利商人 Wilhelm Exner 的名字命名，自 1921 年以来每年都会颁发给那些“以出色的方式直接或间接地促进经济发展”的科学家、发明家和设计师。值得一提的是，在过去的获奖者中，包括了 22 位诺贝尔奖得主。

“获得这一奖项，我倍感荣幸。该奖项不仅认可了我们团队工作对基础科学的影响，还肯定了我们的工作对工业界及新兴世界的价值。” Boyden 教授如是说。

Boyden 教授现为麻省理工学院媒体实验室、麦戈文脑科学研究所生物工程与脑科学及认知科学方向教授。他通过光遗传学、扩展显微镜（expansion microscopy，通过让被观察的物体膨胀，生物学家甚至可以用普通显微镜看到分子级别的脑部细节）等，改变了神经科学。

从一束蓝光开始到大脑地图的绘制

2004 年夏天的一个夜晚，对还是斯坦福博士生的 Edward Boyden 来说，是惊喜的一夜：当时，他将一束蓝光打到了转基因老鼠的一个神经元（大脑中发送和接收信号的细胞）上，然后，这个神经元做出了反应！仅仅通过光线就能让神经元产生冲动，这让研究人员们对大脑的运作有了前所未有的控制，也正是这项开创性的实验引领神经科学的发展进入了一个新时代。

与 Edward Boyden 一起合作进行该研究的是 Karl Deisseroth，合作的过程中，Boyden 主要从技术的角度提出自己的观点，而 Deisseroth 则会从医学的角度发表自己的看法。当然，在利用光刺激神经元的研究方面，他们也不是第一个“吃螃蟹”的人。事实上，早在 1999 年诺贝尔奖获得者 Francis Crick 就曾猜想大脑地图设计大脑地图设计：19岁手握3个MIT学位，26岁开创光遗传学时代，“理论上来说，分子生物学家们可以设计出一种对光线敏感的特殊细胞”。

尽管早有想法，但本世纪初发展起来的一些技术并不是很可靠，就 Boyden 和 Deisseroth 的研究来说，可以被认为是率先成功的典范。不过，这项技术的成功，也曾遭到质疑。2005 年初，两位完成论文初稿后，于 4 月开始先后向《科学》、《自然》投稿，但都被无情拒绝。在不断地努力下大脑地图设计，8 月该论文终于在《自然-神经科学》得以发表。尽管之后陆续有光控神经学的论文面世，但 Boyden 和 Deisseroth 的论文作为开篇之作，早已占得先机，成为推动该领域发展的重要基石。

随后，2007 年，Deisseroth 的实验室成功利用一根植入小脑内的光导纤维，用一道蓝光唤醒了处于嗜睡态（narcoleptic）的小鼠，证明了这项技术在研究大脑功能方面的可行性。

2010 年，光遗传学被《自然-方法》评为了“年度方法”（Method of the Year）；同年，《科学》杂志在其十年技术回顾中重点强调了这项技术的进展； 2015 年，《自然-神经科学》为纪念光遗传学十周年特地撰文，直言“光遗传学打开了我们梦寐以求的实验之门”。从发明至今，光遗传学技术早已成为世界各地脑科学实验室的重要工具。

在此之后，Boyden 还在不断进行着相关研究：设计出了能够抑制神经元活性的光敏蛋白，并且进一步改良了光遗传学激活蛋白，让科学家们可以在大脑中相互独立地控制多种细胞类型；通过与全息显微镜（holographic microscopy）先驱们的合作，开发出了光遗传学工具，让小群神经元精确产生特定电活动模式，模拟自然神经元回路的动作电位发放等。

对 Boyden 教授来说，其长期目标是“以足够的精确度理解大脑”，为了实现这一目标，其团队希望绘制一张详细的大脑地图。但这并不容易。人体中有超过 800 亿个神经元，其中每一个都会产生数千个连接。要想绘制详细的大脑地图，不仅需要观察大脑的电活动和化学信号，还需要绘制其神经回路的布线图。如果一旦成为现实，就能打开大脑这个“黑匣子”，帮助科学家找到脑部疾病发生的位置，探索包括焦虑症、抑郁症、老年痴呆、精神分裂等疾病在内的治疗可能。

学霸的“开挂”人生

但你可能想不到，2005 年 Boyden 与 Deisseroth 一起成功发表论文时，他年仅 26 岁。作为一名学霸，Boyden 的经历对我们来说，就像是拥有着一个“开挂”人生。

1979 年 Boyden 出生于美国德克萨斯州；8 岁时就对科学表现出了浓厚的兴趣，希望未来能借助科学方法帮自己探知世界，并在其中有所建树；作为一名“早熟”的学生，Boyden 14 岁进入美国著名的得克萨斯数学与科学院学习，后转入麻省理工学院学习物理学和电气工程，19 岁从麻省理工学院毕业时，获得了物理学学士学位、电气工程和计算机科学学士和硕士学位三个学位。随后又进入斯坦福大学攻读神经科学。

2006 年 9 月，Boyden 离开斯坦福加入麻省理工学院，组建了自己的实验室，领导团队开发用于大脑功能研究的新技术。

因为在光遗传学以及其他技术开发方面的突出贡献，Boyden 教授曾屡获殊荣：2006 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”（MIT TR35）、2013 年 NIH 主任创新人士奖（NIH Director's Pioneer Award）、2013 年大脑科学奖（Brain Prize）、2016 年美国生命科学突破奖（Breakthrough Prize in Life Sciences）、2018 年加拿大盖尔德纳国际奖（Canada Gairdner International Award）、2019 年沃伦·阿尔珀特奖（Warren Alpert Prize）以及文章开始提到的 2020 年 Wilhelm Exner 奖章（Wilhelm Exner Medal）等。除此以外，他分别于 2017 年和 2019 年入选美国人文与科学院院士和美国科学院院士。

2020 年 11 月，这位拥有“开挂”人生的科学家即将登上 EmTech China 2020 的舞台，届时，让我们一起聆听 Edward Boyden 教授为我们带来的精彩分享。

作为全球顶级科技商业杂志《麻省理工科技评论》的著名会议品牌，EmTech 是全球新兴科技领域最具影响力的大规模会议之一。 EmTech 全称是 Emerging Technologies，原意为“新兴科技”，从 1999 年至今的超过 20 年间，EmTech 一直延续着引领全球技术向前的强大创新基因，从实验室到产业，在智慧碰撞的对话与演讲中梳理那些最可能改变世界的新兴科技。