诺奖级光遗传学的发明者之争:是谁埋没了华人科学家潘卓华?

光遗传学(optogenetics)是近几十年来神经科学领域最大的突破之一。然而它的第一位发明者,默默无闻的华人科学家潘卓华却因为学界的种种规则被埋没了。在科学界,到底什么样的研究成果才算的上一项发明,一项研究论文从撰写到投稿在到发表,到底会经历怎样的过程与障碍,评审的标准又是如何影响发表结果的,这一切都可以从以下这个传奇的故事中一窥究竟。神经科学一直是机器之心关注的重要前沿领域之一,同时我们也关心这些伟大研究成果背后的科学家。希望这篇故事能给社区带来一些做学术研究上的思考。

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下一个在医疗业掀起革命的技术将是来自一个可以促进神经元光敏的新实验室技术。这种技术又叫做光遗传学(optogenetics),是近几十年来神经科学领域最大的突破之一。它具有治愈眼盲、治疗帕金森症和缓释慢性疼痛的可能。不仅如此,它还可以在实验室中广泛应用于研究动物大脑运作方式,并促进科学家获得对于睡眠、成瘾与感知的突破性理解。

因此两个美国人作为光遗传学的发明者成为了科学世界的摇滚明星也就没什么好惊讶的。斯坦福大学的 Karl Deisseroth 和 MIT 的 Ed Boyden 已经获得了数千万的资金,并在近些年赢取了百万元的奖金。他们在媒体与世界各大学术会议中获取了很多称赞。他们被认为是肯定会赢得诺贝尔奖。

只除了一个问题:也许潘卓华(Zhuo-Hua Pan)才是光遗传学的开创者。



但甚至连许多神经科学家都从没有听说过潘。

60 岁的潘是底特律的韦恩州立大学的视觉科学家,他在故乡中国的时候就开始了他的研究生涯,上世纪 80 年代搬到了美国,继续他的 PhD 并且再也没有离开过这里。他的鼻梁上架着一副金丝眼镜,脸颊上有着笑纹。他的同事形容他是一位纯粹的科学家:谨慎、专注、小心。

潘一直致力于治愈眼盲。在 2000 年的初期,他想出了将光敏蛋白放在眼内来帮助盲人恢复视觉——通过制造其他光敏细胞来弥补死去的视杆细胞和视锥细胞。

这正是光遗传学思想的来源——获取能将光转化为电子活动并将它放进神经元的蛋白质。这样,科学家能够通过发射光来远程刺激神经元,让它们操控脑回路。也有很多人在此之前尝试过制作光敏神经元,但是都没有成功,因为它们都缺少了光敏蛋白质。

2003 年公开的对光敏感通道蛋白的首次分子描述改变了这一切。

光敏感通道蛋白,一种由绿藻形成的蛋白,它通过将离子注入细胞来对光作出反应,这有助于藻类寻找阳光。

「这是我生命中最令人激动的事情,」潘说道,「我认为,哇哦,这就是我们寻找的分子。这正是我们在寻找的光探索器。」

直到 2004 年 2 月,他一直在尝试在神经节细胞中培育光敏感通道蛋白——我们眼中的神经元直接与大脑相连——他在培养皿中培育出了它们。它们在光照下开始具有电活性。在平复激动的心情之后,潘申请了美国国立卫生研究院的资金。NIH 给了他 30 万美金,并评论他的研究「史无前例,具有高度的创新提案,探索在未知的边缘。」

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一只包含了光敏感通道蛋白质的盲鼠的视网膜。底部的圆状是神经的细胞体。包括了光敏感通道蛋白的小鼠视网膜和绿色的荧光蛋白质。

潘不知道那个时候他处在一场与美国以及全世界的科学家的竞赛中,比赛谁能最先将光敏感通道蛋白放入神经元中。

Deisseroth 和 Boyden 在斯坦福工作,Deisseroth 快完成了博士后阶段,Boyden 快读完硕士学位。至少还有另外两个小组处于这场竞赛中,凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的 Stefan Herlitze 和 Lynn Landmesser,以及日本东北大学(Tohoku University)的 Hiromu Yawo。

尝试用光来控制神经元的科学家绝不止这些。到 2004 年,Gero Miesenbock 和 Richard Kramer 已经公开发表了利用其他更加复杂的分子来实现这个技术的文章。但是光敏感通道蛋白才是那个即将变革整个领域的工具。

斯坦福团队用光控制神经元的想法由来已久。他们也注意到了关于发现光敏感通道蛋白的论文。Deisseroth 在 2004 年 3 月与文章的作者 Georg Nagel 取得了联系,他问 Nagel 是否愿意合作,分享光敏感通道蛋白的 DNA,这样 Boyden 就可以试着将它放进神经元。在 2004 年 8 月,Boyden 在一个小培养皿里用光照射一个大脑神经元,并记录了光敏感通道蛋白的电子活动。而 6 个月前,潘已经用视网膜神经元做了同样的事情。

潘早在 6 个月前就针对视网膜神经元做了同样的事情。但是他被人抢先了。

我们并没有感到多幸运

Boyden 现在是 MIT 的教授,STAT 告诉他潘首先进行实验的时候他很震惊。

「哇哦。很有意思。我根本不知道这个。」Boyden 说道。

「科学如何认为某件事被证明这件事很值得思考。」他补充道,并指出科学家的成就基于互相的工作,有时候互相合作,有时候并行工作,互相借用对方的肩膀。「不同的团队有时会在互不知晓的情况下做着目的相同的研究」他说道。

斯坦福的新闻办公室称 Deisseroth 的方法是不可行的。为了回应 STAT 提出的问题,发言人 Bruce Goldman 称潘的研究「还远远称不上利用光遗传学... 为了打开精确的神经科学的新大门。这正是 Deisseroth 博士 2005 年的那篇被广泛引用的论文中所揭露的潜力。」

潘说他在几年前可能向 Boyden 说起过他的实验时间,但是潘说,「我并不希望花太多时间说这个,因为会让人们感到不舒服。」

这种想法与 潘一直以来的风格是一致的——勤奋、保守、低调。Wayne State 是一个规模较小的大学,并不因为科学研究而出名。潘去了另一个州立大学完成他的博士学位,接着花费了数十年做了许多低调的研究。这些事情也许对后来发生的事情有所影响,当他试着向世界介绍他的发明时:它看起来并不像某种巨大的前进,即使它真的是。

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潘的实验室里的一个人眼模型

潘花费了 2004 年的一个夏季来找出如何把光敏感通道蛋白放进活眼当中。他决定用病毒,即感染眼睛中的细胞,并潜入光敏感通道蛋白的 DNA 中。他的同事,Alexander Dizhoor 是萨鲁斯大学(Salus University)的教授,设计了光敏感通道蛋白 DNA,并将这种基因添加到一个蛋白上,能在蓝光下发出绿色的荧光,所以他们可以一直跟踪光敏感通道蛋白。

在 2004 年 7 月,潘将病毒注射给第一只小鼠。五周后,他检查了小鼠的视网膜看看是否起效。当他看到了一片绿色的海洋时——它们的细胞膜中的成千上万个神经节细胞有着与光敏感通道蛋白偶联的绿色蛋白质。当他在其中一个细胞中插入电极并打开照射灯的时候,这些细胞出现了明显的电活性。光敏感通道蛋白起效了。这仅仅是第一步,但却是具有革命性的一步——这意味着潘的方法也许让盲人恢复视力。

「它的一切都如此美丽。」潘说道。

根据潘分享给 STAT 的一封信所写,潘与 Dizhoor 撰写了一篇研究成果的论文,并在 2004 年的 11 月 25 号提交给了 Nature。Nature 的编辑建议他们将这篇文章发给了一个更加专业的杂志,即 Nature Neuroscience,后者拒绝了这篇文章。在第二年的年初,潘将这篇论文发给了 Neuroscience,尽管后者重新看了一遍,但还是拒绝了。

潘心灰意冷,准备重新修改他的论文,并在 2005 年 5 月去了佛罗里达州的劳德代尔堡,参加 视觉与眼科学研究协会(Association for Research in Vision and Opthamology)大会,在那里他描述了他在神经元中使用光敏感通道蛋白的研究。这次大约只有 15 分钟的简短演讲,算是他的个人发明史上最高调的一次了。

但后来的事情证明这个演讲愈发的重要。几个月后,在 2005 年 8 月,Nature Neuroscience 发表了一篇利用光敏感通道蛋白制造光敏感神经元的论文。这篇论文来自于 Edward Boyden 与 Karl Deisseroth。

潘从一个同事那里听说了这件事,后者发给了他这篇论文。「我感觉很糟,非常糟。」潘说道,停顿了下。「我们感觉自己的运气太不好了。」

遭遇不屑

Deisseroth 和 Boyden 的论文相比于潘的稍有不同。他们仅仅证明了他们可以使用光敏感通道蛋白来控制神经元在培养皿中的活动;潘一直等到在活的动物体中行得通时才发表论文。而且 Deisseroth 和 Boyden 的开灯时长仅为 1 毫秒,已显示出令人难以置信的精确的时间控制。但他们的技术功绩基本上是相同的:他们已经成功地使用光敏感通道蛋白来使培养皿中的神经元对光照产生反应。

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MIT 媒体实验室里的 Ed Boyden

那篇斯坦福论文的影响过了一段时间后才显现出来,但确实名声大噪。该项成果瞬间启动了 Deisseroth』s 和 Boyden 两人的职业生涯,为 Deisseroth 在斯坦福的实验室以及 Boyden 位于 MIT 的实验室带来了巨额拨款和有天赋的学生们。纽约时报在 2007 年开始撰写关于 Deisseroth 的光遗传学突破,那篇论文的引用次数开始飙升。

等到潘终于成功地在 2006 年 4 月于《Neuron》上发表了他的论文之时,人们多半不屑一顾。加州大学伯克利分校的神经科学家 Richard Kramer 那时也在研究视觉,他记得,「这算不上创新,这只是『哦,看,你可以把光敏感通道蛋白放入接入大脑的神经元中,你也可以把它放在视网膜的神经元。』它有什么稀奇的吗?没有」

那几个月的时间似乎已经使一切都不同了。

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潘的实验室中长出细菌的培养皿和解剖工具。

为什么潘的论文没有被第一个发表?他可能永远不会知道答案。Boyden 的论文出来后,潘给自然神经科学杂志(Nature Neuroscience)的编辑写信,问他们怎么能拒绝他的论文而发表 Boyden 的。

编辑回应到,尽管两篇论文相似,但 Boyden 等人是作为一种新技术、而非一个科学发现来提出的。潘的论文看起来太过狭窄,仅仅关注于使用光敏感通道蛋白来恢复视力,而 Boyden 的论文视角广阔,将光敏感通道蛋白视为一种通用的神经系统科学工具。

其他研究人员提交给神经科学杂志的评论揭示了人们是如何看待潘的论文的。一位评审员喜欢它并给它提了一些小的改进建议。另一个评审员在单独一长段中说该研究是「雄心勃勃的」和「非常初步的」,并总结到「这里能够诱惑大多数神经系统科学家的东西太少。」

事后,潘的合著者 Dizhoor 读到这些评论时不禁失笑。细微地修改后,评审会最终在 2006 年出版一份潘的这篇论文的扩展版。

但那并没有将潘提升为光遗传学的伟人。在出版方面,他比大部队晚太多了,有三个不同群体在他之前发表了有关光敏感通道蛋白的论文。他没能分享到最近颁给 Deisseroth 和 Boyden 的两大奖项,分别是 2013 年的大脑科学奖(The Brain Prize)(100 万欧元分给了光遗传学的六位发明者)和 2015 年的生命科学突破奖(The Breakthrough Prize)(Boyden 和 Deisseroth 每人得到 300 万美元)。

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Karl Deisseroth 在加利福尼亚州的芒廷维尤接受生命科学领域的 2016 Breakthrough Prize。

自 2005 年以来,Deisseroth 已经获得了美国国立卫生研究院为他在光遗传学方面研究所资助的 1800 多万美元,而 Boyden 已经收到 1000 多万美元。两人都有其他的主要项目,每年为其实验室带来额外资金。Boyden 是一个多产的演讲家,在 TED 上做了多次 演讲;Deisseroth 是纽约客的 2015 年度深度人物专题的报道对象。

另一方面,潘在过去的 10 年间仅仅累计收到 300 多万美元,并只有一项美国国立卫生研究院的资助——是维持研究项目的最低限度资金。对其工作的大部分赞誉来自于韦恩州立大学。据潘自己的网站介绍,他被邀请做几个访谈——最近的是在俄罗斯的一个技术展览上。

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潘在韦恩州立大学的实验室中,在那里他继续着光敏感通道蛋白的研究工作。

发明的游戏规则

这个传奇的故事提出了一个问题:科学上的发明意味着什么。这是近年来困扰科学家们的一个问题——包括正在进行的 CRISPR 专利战——随着研究变得越来越全球化,生物技术的影响和医学发现的研究战果变得越来越有价值。

事实证明,答案取决于语境的变化。

学术界同行通常认为第一个发表有关某技术论文的科学家是该技术的发现者或发明者。

但是正如潘的经验表明,该指标可能有问题。在最近一篇《eLife》杂志上的文章中,两个生物学家 Ronald Vale 和 Anthony Hyman 也指出了这个问题。他们认为,「论文提交和论文出版之间的延迟差可以从几星期到两年多」,「这个过程让知识从科学家转移到全球科学界的过程中,调慢了进度并创造不公平。」

而且评审员可能会偏向于他们熟悉的名字或有声望的机构。抹去作者姓名的盲评方法已被建议用来将这种影响最小化,但许多科学家怀疑它是否有效,因为研究往往是在会议上就被提前讨论了。

而 Vale 和 Hyman 提倡科学家们在提交给杂志前先在 bioRxiv 之类的「预印本服务器」上贴出研究草稿。如果这样的服务器在 2004 年就已被神经系统科学家广泛使用的话,潘可能已经在上面贴出他那篇被拒的研究成果了,作为一份凭证。

但这是否意味着他将出现在诺贝尔奖的入围名单上还不清楚。

Kramer 认为即使 潘已经在 bioRxiv 上发表,他也应该闭嘴了,因为他并不是第一个在该技术上发表同行评议论文的人。这才是影响光遗传学(optogenetics)的发明者是否会以及何时会获得诺贝尔奖的重要因素。

法律系统里的规则跟这里的不太一样。据一位专门从事专利法的美国律师协会代表的说法,要在 2000 年初时证明专利优先问题,通常情况下你需要展示两个过程:「某人在何时确实构想出了这个发明——有点像是头脑中的灵光一现(啊!我有了!)——以及发明在何时进入实践——这意味着你已经实现它并已经证明你的想法行得通。」

根据这些标准,一项发现要发生在实验室演示时期,甚至是在预印本服务器上贴出之前。

然后是公众舆论的意见。科学家们成为日益公众的人物,他们运营推特账户并出现在深夜谈话节目中。

「在学界上升的过程受到非科学事物的影响比过去更多了一些,」拥有失明基因治疗方面专利的哈佛医学院教授 Richard Masland 说。

身处韦恩州立大学可能意味着潘没有资源让一篇高知名度的论文获得发表。做高质量研究有实际的成本,但此外顶级大学的高级研究员通常指导初级教授,阅读他们的成果并帮助深化。

与麻省理工学院或斯坦福大学等著名机构中的科学家相比,潘赞同这一事实可能会将他置于劣势。「当然,我不能通过证据证明它。」他说。而潘的谦逊和非母语的语言能力可能无法让他像 Boyden 和 Deisseroth 那样宣传自己。

「他不像该领域的其他人那样是一位知名演讲人和主持人。而要能够走出去并出售自己,这是整个游戏的一个重要组成部分,」加州大学伯克利分校的视觉研究员 Kramer 说。

这种宣传可以是自我强化的。起先研究光敏感通道蛋白的 Case Western 教授 Landmesser 说,「我认为总有一种趋势是,让我们这么说吧,第一个到达的人会得到更多宣传。」

一段大学的公关视频可以带来一篇国家级新闻报道,这会促使某人在一个不错的现金奖励提名中想起你的名字,这会导致科学家在一些电视节目中露脸。「发明者」一词在某些时刻会被用到,而你要在谷歌了「谁发明了光遗传学?」之后才能通过谷歌的自动回答得到答案。

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在潘实验室中的一张黑板和玻璃器皿干燥架。他使用光敏感通道蛋白帮助失明的小鼠看东西。

最终,潘 和 Boyden 与 Deisseroth 团队共同获得该发现的专利

潘在 2005 年 5 月的演讲对 Boyden-Deisseroth 专利有过一阵威胁——美国专利局拒绝了它多次,因为潘的摘要是在归档的一年多以前出版的。

最终,Deisseroth 和 Boyden 签署了一份文件,说明他们在 潘 发表会议摘要之前已经在实验室中私下发明了使用光敏感通道蛋白的这种方法。有关专利是在 2016 年 3 月发布的,几乎是在归档的 10 年之后。

现在 Deisseroth 是 Circuit Therapeutics 公司的创始人和科学顾问,这家公司开发一系列的基于光遗传学的疗法,想来是使用了 Deisseroth 的专利发明。(Circuit Therapeutics 拒绝评论有关其知识产权许可的细节。)

潘也获得了一项专利,使用光敏感通道蛋白来恢复视力。他的专利是由 RetroSense 颁发,后者在 2005 年赢得了来自天使投资协会(Angel Capital Association)的奖励。RetroSense 的 CEO——他颁发的这项专利——告诉《STAT》有关 潘 在光遗传学发明上的地位——今年开始的临床试验,使用基因治疗把藻类蛋白质放在盲人眼中。这是人类的第一个光遗传学应用,也是非人类基因第一次被用于基因治疗试验。

现在,德克萨斯州的盲人依靠眼睛里的海藻 DNA 和蛋白质看路。而这就是 潘 一直在努力的。「我仍然感到高兴的一件事是:即使是现在,我们的临床研究仍然领先于任何人,」潘说。

但由于在美国没有基因疗法被批准用于临床使用,在人类中成功利用光遗传学的道路可能是漫长的。加州大学伯克利分校的神经科学教授 Yang Dan 正在利用光遗传学来研究睡眠,但她在短期内不看好光遗传学的临床治疗,她说:「我相信这些安全检查会需要很长很的时间。」

至于该发明本身,一些科学家说 潘可能没有 Deisseroth 和 Boyden 所拥有的值得嘉奖的大愿景。作为抢先获得光敏感通道蛋白首次发表的其他人之一,Stefan Herlitze 说:「当然我不得不说,Deisseroth 和 Boyden 他们真的将该领域向前推进了。」

Boyden 附和道「Karl 和我对如何控制大脑中的细胞类型的一般性问题非常感兴趣,我们近年来致力于将这些分子推到它们的逻辑极限。」

所以可能重要的不是谁发明了光遗传学,而是看谁把科学的边界推得最远。

当被问到自己是否应得 Boyden 和 Deisseroth 已享有的认可时,潘拒绝回答。他后来告诉《STAT》,Deisseroth「的工作无疑也很出色。但他也很幸运,因为如果我们的论文是在他前面被发表,故事就不同了。我们本将得到更多的荣誉。」

这差不多就是潘愿意说的关于其信用下跌的全部东西。今天他仍然在底特律。他一直以来都在致力于研究可用来治愈失明的新版光敏感通道蛋白。「我的实验室非常小,」潘说,「我们主要对试图恢复视觉感兴趣。」

本文由机器之心编译出品,原文来自STAT,作者 Anna Vlasits,参与:Chen Xiaoqing、Rick、杜夏德、吴攀。转载请查看要求,机器之心对于违规侵权者保有法律追诉权。

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