张旭朏/译
Dr. Wickersham [0:00]
我相信你Peter。
Peter [0:03]
如果让您用一个词来形容它。
Dr. Wickersham [0:06]
面包似的，我觉得像是根热狗。 但觉得我只吃到了面包。
Peter [0:15]
好吧。 您现在可以睁开眼睛了。 这是无麸质面包热狗（我们确定）。 我想我们最终选择热狗的原因是，我们觉得狗与狂犬病有关，所以我们能找到与此最接近的食物，于是想到了热狗。
Dr. Wickersham [0:31]
太赞啦！
Peter [0:41]
大家好，我是本期The Gastronauts播客的主持人Peter。 在Gastronauts，我们将致力于理解人体的（内在）联系，尤其是肠道与大脑的对话方式。 在本期内容中，我们希望更深入的研究优秀科学家们及其工作背后的灵感和动机。 我们希望，通过了解科学背后的科学家们，我们将能够跨越不同科学领域之间以及科学界与主流文化之间的鸿沟。 那么，让我们一同进入本期播客：两个领域之间。
我们非常高兴今天邀请到Ian Wickersham博士。 伊恩（Ian）曾在杜克大学（Duke University）攻读物理专业，然后在加州大学圣地亚哥分校（UCSD）取得了神经生物学博士学位。 之后他在麻省理工学院做博士后，现在是麻省理工学院遗传神经工程小组的负责人。 他致力于开发强大而精确的技术来研究大脑的结构。 他利用病毒的独特功能，对它们进行了修饰，使这些病毒可以感染特定的细胞并发光，从而使我们的大脑网络可视化。 他修饰过的其中一种病毒便是狂犬病病毒。 老实说，当我第一次听说使用狂犬病病毒作为工具时，我想到了一张[…]看似有些疯狂的狂犬病狗狗的画面。 我想知道，[…]您是如何被狂犬病所吸引的呢？ 是不是需要一些说服力才能让您对这种令人恐惧的病毒进行研究呢？
Dr. Wickersham [2:40]
其实不然。其实我是很积极地想对它开展研究，因此我不得不说服其他人，而不是相反的情况。但是关于狂犬病病毒，尽管这种可怕病原体每年都会杀死许多人，但它对于神经科学家来说是一种非常有用且自然存在的工具。因为它的扩散发生在突触连接的神经元之间。它在神经元之间的传播方式在相当长的一段时间内不会完全杀死神经元。当我开始攻读博士学位时，我们正在寻找识别大脑中连接神经元的方法。因为大脑中的神经元具有许多不同的细胞类型，而且它们都混合在一起，它们经历了这些漫长的过程，所以轴突和树突会发生重叠。即使你让不同类型发光或对它们进行染色处理，也无法仅仅通过观察来分辨它们。更无法确定哪些是彼此相连的。与其他器官相反，神经元之间的精确连接基本上可以说是大脑最独特的方面。那么，了解大脑如何运作或大脑的一个小部分如何运作，了解与你感兴趣的行为有关的神经元之间如何相互连接（显得）尤为关键。因此，我们需要一种工具，这种工具可以帮助我们识别与目标细胞相连的其他细胞，而狂犬病病毒则是最有希望（实现这些）的工具。
Peter [4:29]
这相当有趣。 您提到的狂犬病（毒），更像是一种工具，而不是病原体。 您的实验室实际上专注于开发（这些）工具和原型，并修改这些病毒，以便我们可以应用它们来研究不同的回路和不同的连接。 我想知道，当我们开发这些工具时，会经历一个迭代的过程，在此过程中，您会经历原型一或第一代，第二代，第三代。 您怎么知道这个就是第一代了呢？ 当您构建完结构后，您又怎么知道这就是一种我们可以提供给其他人或让其他人知晓的工具呢？
Dr. Wickersham [5:06]
那么，到第一代发现为止，没有其他的（发现）了。一旦有了基本的证明，我们就可以做到这一点，我应该说，我们试图发明是一种专门标记直接连接到某个目标神经元组的系统。 因此，基本上，我们利用改良形式的狂犬病病毒选择性地感染大脑中任何类型的神经元，并使狂犬病病毒不会像野生型病毒那样扩散到整个大脑，而是只传播到与起始神经元群体直接进行突触连接的细胞。
Peter [5:55]
因此，您可以控制其传播方式的特异性。
Dr. Wickersham [5:58]
实际上，我们控制着两个方面，一方面是（控制）首先要感染的细胞的特异性，另一方面是控制它要经过突触的数量。如果注射到大脑中，自然条件下的狂犬病病毒基本上会感染它所能接触到的任何神经元。 而且，一旦感染了这些细胞，它将沿逆行方向扩散，即从起始细胞到突触前细胞。
Peter [6:29]
突触前意味着它在上游形成连接。
Dr. Wickersham [6:33]
是的，对细胞而言，这会将神经递质释放到起始细胞上。 野生型狂犬病病毒将在这些细胞中简单复制，并继续向突触前细胞扩散，周而复始，遍及整个大脑。 而我们想要一个仅允许直接标记突触前细胞的系统，以便我们可以非常精确地识别大脑中细胞类型之间的连接矩阵。
Peter [7:01]
所以有点像一种被控制了的狂犬病感染。
Dr. Wickersham [7:05]
是的，这是能够做到这一点的第一代系统。 当然，只要有任何类型的数据，我们就可将其发表，就像在神经科学领域一样。 一旦有了新颖的成果，并且从未有人展示过，即使它并不完美，你也想展示给大家。 所以，无需等待完美时刻，只需发布每个重要的新进展即可。
Peter [7:30]
但同时，您也要确保狂犬病的毒性或致死性得到控制。
Dr. Wickersham [7:36]
确实，狂犬病毒的毒性可能是其最大的缺点。它的毒性确实比许多其他病毒低。而其毒性较低的原因是狂犬病毒希望保持神经系统细胞的完整性，以便宿主（即被感染的动物）能够继续传播该病毒。基本上而言，病毒的生命周期取决于在传播过程中不被破坏的神经系统，以便动物有能力实施这种行为，从而导致病毒传播。所以，这种病毒已经相当于无毒。但是在神经科学领域，有很多人想做的实验涉及很长一段时间的操纵或研究，而不仅仅是几天或几周。例如，在学习一项任务的老鼠中，（老鼠的行为）会随着时间而发展，并且人们希望了解随着老鼠学习这项任务时，神经元的突触连接网络是如何随着时间的推移而反应的。对于狂犬病病毒已经存在的地方，或者是已经存在的狂犬病病毒系统，这基本上是不可能实现的，因为它确实杀死了神经元。所以，近年来，我的实验室付出了巨大的努力来开发所谓的模型突触追踪系统（狂犬病病毒追踪系统）的无毒版本。
Peter [9:13]
单突触追踪系统有点儿像是只跨越了一个突触，是吗？而且不会持续扩散，这就是您如何控制毒性的方法吗？
Dr. Wickersham [9:17]
嗯，这就是我们控制病毒传播的方式，但这并没有直接影响病毒本身对被感染细胞的毒性。 因此，在我们正在进行的第二代以及现在的第三代版本中，狂犬病病毒似乎是完全无毒的。这意味着我们可以标记突触前细胞，然后让它们无限期地存活，以便可以进行长期行为实验的研究和操作。
Peter [9:52]
所以我了解到的您的第一代（病毒系统）的情况是[…]您已经提出了这一愿景，您希望能够标记（神经）通路，而且您找到了实现这些的方法。 它毒性适中，毒性相对较低。 然后当您进入第二代时，您实际上是在专注于我们如何才能将这种毒性降低到几乎为零？ 然后我们如何才能使该标记保持不变？对吗？
Dr. Wickersham [10:16]
是的，完全正确。我的意思是，第一步是（如果可以这样说的话）向前迈出的一大步，因为从根本上讲，这仍然是识别与你所感兴趣的某些大脑种群直接相连的细胞的唯一方法，而没有一个可以进行测试的假设。举例来说，假设你对膜的多巴胺能细胞感兴趣。这些是投射到（大脑）皮层的细胞，取决于细胞，纹状体和大脑中的其他位置，对于机动、反馈和运动控制而言，它们非常重要。（它们）能够识别出膜中那些非常重要的多巴胺能神经元的输入，可以使神经科学家绘制出整个电路来操纵各种输入，并了解有关如何将大脑关键系统或可能更适当的系统整合在一起的一些基本知识。现在，所遇到的第一个问题是这些细胞是什么，它们在哪里？因此，第一代狂犬病病毒系统只是为了回答这个。解剖学方面的问题是：这些细胞是什么，存在于哪里？无论它们在大脑中的何处，都可以对其进行标记。因此，在继续进行解剖学定位之前，也许可以用其他方法操纵突触前细胞。
Peter [11:48]
那么，真正使这种狂犬病（病毒）强大的是您所能达到的那种（成像）分辨率，对吗？ 因为我以前对神经生物学的理解是我们拥有这些大脑区域，所以我们知道它们是拟人化的，可以互相交谈。 但具体来说我们不知道在这个大脑区域中，哪个神经元正在与另一个神经元对话，对吗？ 而狂犬病病毒使您能够查看两个细胞之间的这种直接联系。
Dr. Wickersham [12:12]
没错，很正确。如果没有狂犬病毒或其他多种示踪剂，人们可以做什么，而人们在此之前所做的就是看到大脑中有哪些细胞投射到大脑区域。但是，采用这些技术中的任何一种，都无法查看这些上游神经元投射到了目标区域中的哪些细胞。因此，你基本上可以以高分辨率来追踪映射到大脑某处各个地方的细胞。但是在狂犬病毒系统出现之前，还没有办法确定该靶位中哪些细胞与所有这些突触前神经元发生接触。因此，我们可以使用狂犬病病毒来选择你所感兴趣的细胞，将输入（信号）针对性地传输给这些细胞。而且它们本质上是不同的，在大脑的每个地方，都有许多不同的细胞类型，并且它们的电导率也大不相同。因此，从本质上讲，你可能在特定大脑区域中投射到一种或多种皮层细胞的神经元数量上存在差异。或者，你可能具有完全非重叠的细胞类型，例如，这两种细胞都为突触前细胞。这使你能够以更高的分辨率绘制电导率图。
Peter [14:00]
是的。就像是，即使在空间上相近的神经元，也可能不是我们正在研究的这个（神经）网络的一部分。（稍微动一下脑子）。 您如何看待这项技术的未来前景呢？ 我觉得结构掩盖了功能，而且了解这个网络对于我们真正了解大脑的工作方式非常重要。 我想知道我们（对此）能了解到什么地步？ 您如何看待我们对这些网络的认知？ 或者，您认为我们如何在未来10年左右的时间内通过新技术更好地揭秘这些网络？
Dr. Wickersham [14:32]
是的。一方面来讲，(这)能够更好地了解那些突触前细胞，而不仅仅是它们的位置，外观、表达等等。因此，如果可以使用所有这些方法的无毒版本，对突触前神经元进行模式化刺激，以使其能够干扰这些突触前细胞的活性，并观察其如何影响这些靶向突触后细胞的活动。狂犬病毒不仅可以利用输入（的信息）追踪到一组神经元，也可以追踪到是单个神经元。这可以为开始输入（信息）到单个皮层神经元提供漂亮的解剖图，但是你可以在这些突触前细胞中表达钙指示剂，并将其进行成像。例如，所有这些突触前细胞的视觉反应特性以及单个目标突触细胞，然后查看（例如）视觉皮层中的神经元是否以某种方式对视觉刺激做出反应，是否主要从其他以相同方式做出反应的神经元获得输入（信息），或者它是否正在做某种可能更有趣的事情。换句话说，要回答这个我认为是神经科学最基本的问题之一的问题，（需要弄清楚）单个神经元如何获取正在获取的输入并处理该信息以产生自己的输出？
Peter [16:02]
那么，我所了解到的是（这些研究都）正在向前发展，您认为应该在单细胞水平上理解这些信息，我们要如何整合信息，更多地了解这些神经元如何在单细胞水平上整合信息，以及他们如何获取信息，整合并发送信息的呢？ 通过突触传递到另一个单元格的消息，这是您所预见到的这些技术的未来发展方向吗？
Dr. Wickersham [16:23]
是的，我想这是一个非常伟大的目标，也是一个激励人心的目标。 就技术本身的未来发展而言，我们应该很快就能开发出一个高效、完全无毒的单突触追踪系统，并利用此系统来进行这类实验。 我的意思是，到那时，各行各业的神经科学家都可以使用该技术，并应用到他们想要进行任何令人兴奋的科学研究。作为工具开发人员，我们正在继续开发其他工具，这些工具将有望来支持其他令人兴奋的科学研究。
Peter [16:55]
现在，这确实是令人兴奋的进展，我迫不及待地想看到您课题组未来的工作进展。 现在我想微微倾向于您个人作为职业发展中的科学家来提问。从物理学转向神经生物学是一个巨大的跨越。 那么，我很想听听您是如何从一个领域的学生转变为另一个领域的研究人员的呢？
Dr. Wickersham [17:23]
我的意思是，就我个人而言，我一直对大脑很感兴趣，而不一定对神经生物学感兴趣。但更多的是从想了解它是如何工作的角度来看的。我也一直对物理学感兴趣，我很喜欢它，那也是我大学的专业。但是我也对大脑感兴趣，并在杜克大学学习了神经生物学。不过，我是从神经网络的角度来思考的，这就是我的动力。所以我在想，我们怎么才能建立大脑呢？所以现在，我想大多数人可能都进入了神经科学领域，以了解整个大脑为目标，来揭秘意识是如何产生的，或者制造了可思考的机器人，诸如此类的事情。然后你便进入了神经科学领域，就像，“好吧，好吧，你实际上可以做的是……” [什么]可能是一条更直接的路径，可用于我们以前思想概念的架构的实际构建。但是进入神经科学领域，我的动机只是想尽可能多地了解大脑的组织架构。
Peter [18:28]
大脑又是如何的呢？ 仅仅是这样一个知之甚少的神经网络吗？ 还是因为我们对此不太了解呢？ 又是什么吸引了您走向大脑的呢？
Dr. Wickersham [18:37]
哦！我只是觉得智慧很神奇。而且，你要知道，这看起来还可以，我们应该能够制造出能够执行此类操作的仪器。所以，这确实是动机。我最好还是先从我们对大脑的认知开始（讲起）。那么，我最终加入了一个博士计划，但是事实证明，我们并不太了解它实际是什么，有点像是半杯水，或者是99％的空水杯。但是实际上，我们必须懂得很多，但这基本上就是我的轨迹，我是从神经网络的角度，兴趣和构造，智能程序和体系结构等等来进行研究的。但是[当我]进入实际的神经科学领域时，我才意识到我想了解的-这些信息并不存在。从我的角度来看，对于初学者来说，我想知道的是，所有这些不同类型的[…]细胞之间的联系是什么？它们之间有什么联系？他们在做什么？还有了解所有为止的工具是什么？
Peter [19:45]
然后，您决定自己制作！
Dr. Wickersham [19:46]
是啊。就我可能产生的影响而言，[…]这似乎是很大的一笔经费，这并不是使用现有的工具费力地研究大脑中的某些回路并获得某种关于该回路的不完整答案，而是要开发工具，这种工具将允许在大脑任何方面工作的研究者们进行更强大、更精确的实验。
Peter [20:19]
是的，我刚想到的是，您的研究确实集中在突触标记上，或者首先，这种单突触标记是如何从一个细胞跳到另一个细胞。 我当时在想，[…]这种方式使我想起人们是如何从实习生成为导师的。 因此，您是如何从成为科学家，学习神经生物学，学习这些神经回路，到成为该领域的开拓者这一转变的呢？ 您是否可以[…]跟（正）从见习生过渡到导师的科研工作者们分享一些经验或心态呢？
Dr. Wickersham [21:00]
那么，我想我在尝试开发这些用来大大提高那些基础神经科学家对（神经）回路进行研究的工具时，始终将重点放在了与他们相同的位置。 所以我的意思是，这有点像博士学位中的驱动特性，并且贯穿始终，这都是一回事。 只是现在我可以做更多的事情，因为我不必自己做所有事情。 那么，可以肯定的是，它是一个不同的角色。 但是类似地，如果你能制造允许其他人揭秘大脑事物的工具，那么与你仅仅使用现有工具自己进行研究相比，将会发现更多的信息。 同样，如果你有想法，并且可以将其委托给你的同事，则可以完成很多工作。
Peter [21:55]
那么，从我的理解来看，当您刚开始对研究感兴趣时，当您还是一名学生时，对探索网络的工具的迷恋就是您的动力。 但是，随后，当您尝试研究这些（神经）网络时，您意识到需要建立自己的合作网络，以协助开发此网络。
Dr. Wickersham [22:15]
在整个过程中，我一直在同一个实验室中向导师，博士后学习。
Peter [22:20]
而您是如何寻求这种帮助的呢？您是否只是看看该领域有谁，然后与他们联系呢？
Dr. Wickersham [22:25]
这是一种非常好的方法。 事实是，无论你身在何处，他们都遍布各地。 您想找到他们。 可以肯定，在Salk（研究所），MIT或Duke之类的地方，很容易找到乐于教您的世界一流人才。 我认为大学之间的合作程度不同，但是我很幸运，人们乐于为你提供帮助。
Peter [22:51]
真的很高兴听到这样的信息，科学是如此博大，因为我记得[…]回到[我们之前的对话]，您在想，哦，当我发现某些东西时，我真的需要发表出来。 这是一种竞争意识，在您的研究所内或研究所之间拥有一群真正愿意为您提供成功的动力并有动力为您提供帮助的人，这对您而言至关重要。
Dr. Wickersham [23:18]
对的。 对的。 而且几乎总是双赢的。 这是唯一真正有效的合作方式。 通常，这是一次学术合作，如果有大量帮助，他们将在这项工作中获得一些荣誉，在许多情况下，他们可以使用该技术或应用到自己的研究工作当中。 人们在这样的结果中担当重任，然后他们会更有动力提供帮助。
Peter [23:42]
是的。 因此，在建立合作时，您要确保对双方都是双赢的，对吗？ 也就是说，我们双方都可以推进自己的工作，以推动该领域的发展。
Dr. Wickersham [23:51]
通常，人们在发表的文章上享有著作权。 而且，如果该项目令人兴奋，则足以成为具有高影响力的研究文章，只是以这种通俗的形式，那么[…]参与该项目的开发也符合他们的利益。
Peter [24:10]
真的很棒。我真的很感谢您抽出宝贵时间参加本期播客。 威克瑟姆博士。 哦，我认为我们从科学中了解了如何在大脑中建立联系的知识，并再次非常感谢您的宝贵时间。
Dr. Wickersham [24:23]
这是我的荣幸。 也非常感谢你。
Peter [24:34]
好的，就到这里吧。 当您花时间了解了您的同事时，形成合作网络就（变得）很容易。 我们向您提出一项挑战。 （那就是）在下一个午餐或研讨会上与大厅里的人或坐在您旁边的人分享您的想法。 非常感谢您的收听，我们将在下一期与您相见。 有关我们更多的内容，您可以关注我们的Twitter @gutbrains，或访问我们的网站thinkgastronauts.com。 没有我们在这里的优秀团队，就没有Gastronauts 播客。 梅勒迪斯·施梅尔（Meredith Schmehl）是我们的制作人和音乐作曲家。 Laura Rupprecht博士是我们的社交媒体经理。 特别要感谢Gastronauts的创始人：Bohórquez实验室的Diego Bohórquez博士。