作者: Amy Maxmen /文 姜天海/译 来源: 发布时间:2014-4-3 15:24:1
让感官“言之有理”

 
过去10年间,诱导多能性干细胞系统、DNA测序和光遗传学的技术进步一直推动着感官科学的发展。位于英国剑桥的辉瑞公司Neusentis疼痛与感觉障碍部首席科学家Ruth McKernan清楚地意识到近期的这股技术潮。早在20世纪80年代,McKernan就开始接触感官科学,并以研究生的身份在伦敦大学学习神经系统科学。她见证了研究方向的转变,从她所研究的鼠脑单一突触中的神经递质释放,到当前一次性分析数千个神经元活动的能力。
 
“这个领域得到了技术革命的解放。”McKernan表示,“我们现在可以用非常庞大的数据集来解释各种问题”,实时同步提取来自数千人的遗传分析以及神经元输出的电生理学实验测量数据。现在,研究人员开始了解到大脑如何将数以万计的分散信息整合成可以辨识的气味、味道和物品。而行业科学家则更关注该知识的应用,并学习如何操控回应外部环境或传输信息的受体。
 
例如,在辉瑞公司中,McKernan的团队将感官科学研究的大量精力都投入到疼痛研究当中。处方止疼药的市场价值已经超过400亿美元(据研究报告《疼痛管理回顾及展望2011》),很多大型制药公司正在努力研发优于当前的治疗方案。在行业中,也有一些值得注意的小规模研究,为听觉损失和视力问题研发治疗方案。“视力和听力与疼痛相比,是较小的行业研究领域。”McKernan说,“但是,当我们深入了解到这些感官是如何运作的,并研发出小分子、抗体和干细胞的疾病治疗方式,这些领域就会在未来有大发展。”
 
除了设计感官系统障碍的治疗方式,神经科学家还可以在私有领域寻找研究工作,致力于丰富人类的感知生活。以此为目标的公司服务于受众的持续需求,位于新泽西州尤宁比奇的International Flavors & Fragrances 公司全球研发副主席Ahmet Baydar表示,“只要人们还吃饭,还喝酒,还想要闻起来不错,我们的行业就会存在。”
 
味觉与嗅觉时尚
 
1991年,Richard Axel和Linda Buck因发现了约1万个气味受体编码的基因而一举摘得诺贝尔奖。此后,科学家开始逐渐了解嗅知觉的神经学机制。每个受体在空气中检测到一定数量的气味分子,并将信号发回大脑进行处理。
 
研究人员可以在这个基础知识之上拓展自己的职业生涯或寻找这一研究的创新应用。例如,在宾夕法尼亚州费城莫奈尔化学感官中心大约有60个科学家专门关注味觉与嗅觉。该中心的感官神经生理学家Johannes Reisert将小鼠暴露在各种气味中,试图通过记录电生理特性、分析嗅细胞的基因表达来理解嗅觉运作的基本问题。其他莫奈尔中心的研究者则专门调查现实世界的解决方案,因为他们有些项目的投资来源于食品、香料和药物公司,这些公司主要来寻求建议。例如,一个公司可能想要掌握如何掩盖药物中的苦味。为了解决这一问题,莫奈尔中心的研究人员对苦味受体的运作方式、苦味与其它感官信息的互动展开调查。Reisert非常喜欢与拜访莫奈尔中心的业内人士探讨现实问题,因为“这让我们更加具有转化思维,我们开始认真地考虑我们的研究工作应该如何应用到现实世界。”
 
当今社会,人们对食品、酒水、香波等商品的消费都是基于味觉和嗅觉的基础,因此科学家很容易就能找到迎合人们感官体验的公司。International Flavors & Fragrances 公司的Baydar表示,公司的销量在发达和新兴市场都在持续增长。公司雇佣了数百位拥有神经科学、分子生物学和化学背景的科学家,关注像如何在保持味道的基础上减少食物盐含量等一系列问题。公司的研究人员必须设计出创新、非侵入性的方式去评估人类大脑如何回应气味和味道。为此,在面试应聘者时,Baydor会注重应聘者的创新精神和设计、运营研究项目的能力,在发表文章方面具有出色表现或是拥有专利权往往证明应聘者有这些能力。Baydor并不会为科学家分配项目,他要求科学家利用公司资源自己设立项目。他举例说,公司为研究人员提供色嗅联想的超大数据库,研究人员可以“寻找相关性……去理解为什么某种芳香混合物让人放松、充满活力、开心或悲伤。”
 
并不是所有的味觉和嗅觉研究都专注于提高人类消费的产品质量,有些研究设计是针对疾病干预。在纽约城洛克菲勒大学的神经科学家Leslie Vosshall致力于研究在各种动物模型中,嗅觉如何影响动物的行为。在比尔和梅琳达·盖茨基金会与霍华休斯医学研究中心的资助下,她一直在调查蚊子如何通过嗅觉搜寻宿主。通过研究如何破坏这种能力就可以对蚊子的行为进行干预,结束由蚊子传播的疟疾、登革热等疾病。在另一个项目中,Vosshall研究黑腹果蝇的饥饿感如何与嗅觉感知产生交集。由于这种研究方向可以帮助人们了解饮食紊乱的生物学基础,波士顿的非营利性组织“卡拉曼家庭基金会”为该项目提供了支持。
 
Vosshall获得的多元化投资组合并非偶然。“食物摄取与食欲是感官问题。”Vosshall表示。她建议,尽管研究人员永远不应该去研究在科学上不吸引他们的项目,但是他们也应该考虑到如何将自己的兴趣与基金会对基础感官科学研究的投资意愿相结合。毕竟,在联邦预算缩减之后,美国国立卫生研究院(NIH)的资助资金也随之收紧。
 
“生存下去的秘诀是让你的投资组合多元化。”Vosshall解释。
 
放大身边的声音
 
耳膜中的微小振动如何能够传递所有音质,这仍然是科学家感兴趣的地方,他们仍在试图更加全面地研究听觉系统的内在运作方式。很多项目主要集中于研究内耳毛细胞损伤的原因和修复,这种损伤是造成耳聋的普遍原因。
 
洛克菲勒大学研究毛细胞发育的神经科学家Jim Hudspeth认为,声音研究正在朝着两个方向发展:分子研究方向和综合研究方向。“研究的一条路线是关注(毛)细胞如何将声音变成电子信号,并如何放大输入。”他说,其它方向的问题则包括“复杂声如何分析并转化成语言”,或“我们如何锁定一个对话并避免周围其它噪音的干扰”等。两个研究方向都在使用多种研究方法,而且一般都要求使用专门的实验室设备进行听力研究。
 
Hudspeth使用的是斑马鱼的模型,因为斑马鱼的毛细胞比哺乳动物更容易获取。他的研究使用的是基因表达分析、机械和电子记录、以及通过听觉系统放大振动的数学模型。Hudspeth建议,在职业生涯早期的科学家如果对这方面感兴趣,应该寻找有隔音室和声音测量工具的实验室。找工作时,应该寻找启动资金充足并提供优秀技师的职位,因为可能需要他们来建立并配备专门的空间。
 
毛细胞再生仍然是基础研究的一大课题。与此同时,用来提高听力的技术如人工耳蜗植入已经投入使用了数十年。这些植入装置通过刺激器和电极阵列重复了毛细胞诱导的听觉神经传输。在1978年,位于澳大利亚新南威尔士州的人工耳蜗植入产品公司科利耳(Cochlear)首席科学家Jim Patrick和他的团队第一次将人工耳蜗植入到一个耳聋的志愿者。那时,他一下子就迷上了这项技术。有了这个植入装置,患者可以听到声音,足以通过人们的嘴唇辨识出他们所说的话。“改变人们的生活,这是最了不起的感觉。”Patrick表示。自那以后,公司已经研制出五代植入装置,大大提高了人们的听觉能力。
 
位于加州沃伦西亚的Advanced Bionics人工耳蜗公司研究与技术副主席Abhijit Kulkarni表示,公司的科学家在生物医学、电气和生物机械工程技术的帮助下,得以将基础的科研发现转化为改变人们生活的产品。“转化研究不是在研究生院必需的知识。”Kulkarni表示,“我们一直在用技术搭建通往科学的桥梁。”
 
建构视觉现实
 
科学家为了了解大脑如何将光的图样变成图像,通常研究视觉系统的各个组成部分。例如,波士顿哈佛医学院神经生物学家Margaret Livingstone在研究物体的识别中,在猴子看不同物体时,对猴子颞叶的神经活动进行观测。Livingstone发现了如何使用专门的软件程序将信息进行物体识别处理。她指出这种研究需要计算机编程的知识,因为她的团队进行大量的数据分析。她建议想要投身于视觉科学的研究人员应该学习编程课程或参与研讨会,在各个大学都有常规教授。
 
除了研究大脑如何整合视觉信息,有些学术界和产业界的科学家正在以全新的方式开发视觉神经科学,这在20年前恐怕是无法预见的。例如,瑞士苏黎世ViSSee公司创始人Nicola Rohrseitz和他的团队研发了一个软件平台,摄像机像是苍蝇的眼睛,可以在运动中测量速度和障碍物之间的距离。Rohrseitz在研究生院就模拟出了苍蝇眼睛对这种信息的识别和评估方式,现在他和ViSSee的团队用这些模型进行软件编程,将数据转化为动作。这个技术已用于创建“无触摸控制屏”,可以通过检测外科医生的手势来控制高科技设备,如电脑断层扫描仪。
 
触觉疗法
 
触觉可能是人类在母亲腹中发育出来的第一种感觉,但也可能是人们了解最少的感觉,澳大利亚新南威尔士大学神经科学家Richard Vickery如是表示。他的研究课题是猫的大脑如何回应触觉。
 
对触觉信息的缺乏可能也是为什么美国会匮乏满足人们需求的止疼药。尽管每年美国开具的处方止痛药物已经达到超过400亿美元的价值,但这个国家仍有超过1亿的人口生活在慢性疼痛中,这些止痛药甚至不能为半数的慢性疼痛患者减轻疼痛。同时,这些药物还有导致上瘾和肝脏损伤等风险。最近,美国国会要求国立卫生研究院和美国食品与药物管理局加大对疼痛研究的力度。
 
为了研发更多有效的止疼药,哈佛医学院Clifford Woolf检验了神经系统如何处理感觉纤维的损伤,在不同遗传背景的人身上的处理程度存在哪些不同。通过这一信息,他在小鼠的基因组中插入人体中引发具体疼痛的疾病突变,希望能够为疼痛研究建立更好的动物模型。“在啮齿类模型中表现不错的止痛药,在2b的研究阶段中却出现了多次失败。”Woolf表示,“这让人们开始担忧,我们现在使用的小鼠模型并不是人体效果的最佳预测因素。”投资者也明确表示同意他的观点。最近他开始创造更好的小鼠模型,这一项目得到了一个神经科学协会的支持,投资方是马萨诸塞州生命科学中心,其中包含马萨诸塞州各高校的科学家和7大国际制药公司。
 
很多生物制药公司都在支持疼痛管理领域的研发。辉瑞公司的McKernan表示,辉瑞公司关注疼痛运作的不同方式,并且致力于对患有红斑性肢痛等遗传疼痛障碍的患者进行基因组分析——这是由于对钠离子通道进行编码的基因发生突变,造成患者感觉自己的肢体似乎在燃烧,因此他们可能研发了更加个性化的治疗方式。例如,一个患者可能会需要阻碍离子通道的药物,另一位患者则更需要刺激阿片受体的药物。McKernan解释,在招聘时“我们更想要生物信息学、电生理学、遗传学和诱导多能性干细胞技术方面的专家。”她也表示,辉瑞通常与学术界的科学家合作,对药物开发感兴趣的学生可以考虑在公司进行博士后的研究。“学习其他人都不知道的知识有它的优势。但若是将这个知识转化成造福人类的产品,这简直是研究人员的终极梦想。”McKernan表示。■
 
(Amy Maxmen是纽约布鲁克林的自由作家。
     鸣谢:“原文由美国科学促进会(www.aaas.org)发布在2013年11月1日《科学》杂志”。官方英文版请见http://sciencecareers.sciencemag.org/career_magazine/previous_issues/articles/2013_11_01/science.opms.r1300138。)
 
《科学新闻》 (科学新闻2014年3月刊 科学·职业)
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