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身为一个生物工程学家，我有个心愿是，希望孩子们未来的生活能比目前我们的更美好，我希望我们能把生物学和医学的研究，转化为能够改变生活质量的工具。
And my hope is, if we can turn biology and medicine from these high-risk endeavors that are governed by chance and luck, and make them things that we win by skill and hard work, then that would be a great advance.
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演讲实录：
会膨胀的尿布，新创意的开始
今天我带来了婴儿纸尿布，而婴儿纸尿布有些很有趣的特性，比如加水会膨胀。这一特性也被数百万的小孩所证实。
▲尿布中含有超强吸水高分子聚合物（Superabsorbent polymers）遇水便膨胀（图片来源：ResearchGate）
但尿布会膨胀，源于其巧妙设计。它们是由可膨胀的材料制成：如果把水加到这种特殊材料中，它就会疯狂地膨胀，体积约胀到1000倍，这是个非常有用的工业类聚合物。
大脑的神经网络图，药物开发的靶点信息
我在麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的研究团队想要尝试用类似的方法让大脑膨胀，试试我们能否通过添加何种聚合物，让大脑膨胀，使我们能窥视它的内部，查看清楚里面的结构网络和组成成分。通过更好了解其三维空间的组合方式，更好地看大脑的结构和里面的状况，也许我们能更理解脑的组织，理解它如何产生思想和情感，行动和感觉。或许我们可以知道究竟是什么产生了变化，导致大脑发生病变，如阿兹海默病、癫痫和帕金森病等。目前，应对这些疾病的手段十分有限，极少人可以被治愈。
我们在麻省理工学院的研究小组正尝试采取不同方法，这些观点有别于过往百年研究神经科学的方法。我们正在尝试怎样发明出新的技能，让我们审视和修复大脑。
在脑神经科学研究的第一个百年，我们了解到大脑是个很复杂的网络，由神经元的特殊细胞以复杂的几何形状连结而成，电流可以通过这些形状复杂的神经元。此外，神经元通过突触的微小连接口来交换化学物质，进行彼此间讯息交流。
大脑有着不可思议的高密度：在每一立方毫米体积大小的大脑中，约有十万个神经元，十亿个连接。当然，如果你随意将一个神经元放大的话，你会看到成千上万种的生物分子。这些立体3D、纳米级的结构共同作用产生电脉冲，并交换化学物质，使神经元相互作用以产生想法、感觉等等。
我们不知道大脑中的神经元是如何形成网络系统的，我们也不知道生物分子是如何在神经元中形成这复杂有序的机制的。如果我们真想理解这些问题就必须有新的技术。倘若我们有很好的成像技术，让我们看到神经元的构造和神经元网络系统，那么我们就能真正了解大脑是如何传送来自感官区的信号，从而混合入情绪和情感以产生决策和行动。
同时，这也能帮助我们确切查明病变大脑中产生变化的分子，我们可以以此作为新药开发的靶点，帮助受脑疾折磨的患者，修复它们脑中受损的地方。
小的显微镜，大的成像仪，窥探大脑的网络结构
上个世纪有许多技术都尝试要解決这个问题。核磁共振成像仪继CT后医学影像学的又一重大进步，可用于医学临床检测。并且，其不具侵入性，可用于活体研究。
▲核磁技术观测大脑的结构（图片来源：UCSD)
另一项仪器是显微镜，光源来观察微小的东西，数百年来被用以观察像细菌这样的小东西。就神经科学来说，我们首次使用显微镜发现神经元，大约是在130年前。但这仍有很大局限性，用普通的旧式光学显微镜无法看到单个分子，看不到这些微小的连接。所以，如果我们要用更精细的方法，来观察大脑的结构。
逆向思维，变革神经网络的研究
几年前，我的研究小组开始思考，何不反向操作呢？如果想试着拉近距离去观察大脑这么费劲，我们为什么不把大脑变大呢？开始这个项目的是我组里的两个研究生参与，而现在有更多人加入进来。我们尝试利用聚合物，就是婴儿纸尿裤中的那个材料，把它放在大脑中。如果做得恰到好处，再加入水，就可能把大脑放大到足以把小分子个别地分辨出来的程度，这样你就可以看到脑中那些(神经元)连结的图像。
需要解决的一点是，我们要如何把聚合物链置入大脑中？如果做得到，或许我们就能得到大脑图的实况，观察到大脑的神经网络体系及里面的生物分子状况。为此，我们准备了一个动画视频来解释这一点，在这个艺术家的作品中，我们可以看到生物分子的样貌。步骤一：首先我们要做的是在每一个棕色的生物分子上粘上一个小把手，小把手想要把大脑中分子之间的距离拉远，我们需要利用这些小把手，让聚合物和分子连接起来，让聚合物产生效应。
如果只把尿布中的聚合物直接倒在大脑上，很显然，它们就只会堆在上面而已。因此，我们需要找个方法让聚合物进到大脑里面去，在研究过程中我们特别幸运，发现我们可以利用该聚合物的"单体"，将其放置大脑里面。它们就会触发化学反应，然后在大脑组织里，形成细长的链条，这些链条会缠绕住生物分子，也会占住生物分子间的空隙，形成复杂的网络。最终，这可以使大脑中的分子被拉开，在有小把手的地方，聚合物就会粘住这些把手，正好可以成为拉开分子的施力点。
我们得先用化学物质处理样本，让分子彼此分散开，然后加水，这个会膨胀的材料会开始吸收水分，聚合物链条会移动开，这一次，生物分子也会跟随着一起移动，就像一个被画了图画的气球，如果被吹大，气球上的画还是同一幅画，但是上面的颜色分子间的距离被拉大了，这正是我们所做的，不过是在三维空间里。
我们愿望是把不可见的变成可见的，把小而模糊的东西放大，并且不停地放大，直到它们看起来像是生命信息的星座图。这个视频正可以展现这个过程，碟里放着一個小小的脑，实际上是一片脑标本的切片，我们已在里面注入聚合物。现在要加水，你们现在看到的是以加快了60倍速度放映的视频，这小片脑组织将会胀大，它的体积将会胀成百倍或更大。最牛的是，因为聚合物是如此渺小，我们能均匀地分开这些生物分子。这个过程会缓慢有序地进行，而且信息的型态不会失真，我们只是把它变得更容易被观察。
窥探细胞和组织结构改变，提供药物开发靶点信息
如果上述技术可行，则我们可将其利用到观测人体其他组织结构，以窥探诸如癌症或免疫系统老化所引起的细胞或器官活性的改变。而这些信息，会有助于作为新药开发的靶点。
药物开发的风险是十分高的。而以我今天所谈论的技术能帮助我们能描绘出生命系统的模型。从而帮助我们更好开发靶向药物。
▲药物靶点分类（图片来源：Dharmacon）
身为一个生物工程学家，我有个心愿是，希望孩子们未来的生活能比目前我们的更美好，我希望我们能把生物学和医学的研究，转化为能够改变生活质量的工具。
▲本期讲者Ed Boyden博士是MIT的大脑和神经科学学院的教授。他旨在利用合成神经生物学技术，来研发出工具，以更好观察生物学系统，诸如大脑等的结构（图片来源：TED）
