2010年著名的方法學(xué)期刊：《Nature Methods》評(píng)選出的年度技術(shù)是一項(xiàng)我們不太熟悉的技術(shù)：光遺傳學(xué)（optogenetics）技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能幫助科學(xué)家們分析研究幾乎所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細(xì)胞等，開辟了一個(gè)新的讓人激動(dòng)的研究領(lǐng)域，因此吸引了許多科學(xué)家們投身于這一領(lǐng)域。近期《The Scientist》就以“The Birth of Optogenetics”為題，描述了這種可以通過光來(lái)調(diào)控大腦環(huán)路的技術(shù)方法。

文章由光遺傳學(xué)技術(shù)先驅(qū)，麻省理工的Edward S. Boyden教授撰寫，Boyden教授專門創(chuàng)辦了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，致力于研發(fā)和推廣更強(qiáng)有效的光遺傳工具。他認(rèn)為光與藥物和電極不同，它可以“關(guān)閉”神經(jīng)元，或者說“關(guān)閉整個(gè)神經(jīng)回路”，而這正是醫(yī)生在治療大腦遭受過度刺激的癲癇癥患者時(shí)想要做的。這篇文章講述了他的光遺傳學(xué)技術(shù)研究道路，描述了這一技術(shù)是如何誕生，如何發(fā)展的。

光遺傳學(xué)的誕生

光遺傳學(xué)是由斯坦福大學(xué)的研究人員開始用于研究小鼠大腦的，他們將這項(xiàng)技術(shù)稱之為Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學(xué))，這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵是：科學(xué)家們必須事前向小白鼠體內(nèi)注射一種植物基因，這種基因能夠?qū)Σ煌伾獾拇碳ぷ鞒雒舾械姆磻?yīng)，還能通過自生特性感染類似的細(xì)胞。

2009年，研究人員就利用這種光控技術(shù)選擇并打開了某種生物的一類細(xì)胞。這也幫助科學(xué)家解答一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題，即關(guān)于脊髓中某類神經(jīng)元的特殊功能的研究。他們?cè)谇逍训陌唏R魚幼蟲的這些細(xì)胞中靶向插入光敏開關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞產(chǎn)生了突發(fā)的游泳行為—幼蟲典型的周期性擺尾。

使用這些光遺傳學(xué)（optogenetic）工具，能夠激活清醒哺乳動(dòng)物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果。這一光遺傳學(xué)方法使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。這種新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細(xì)胞等。光遺傳學(xué)開辟了一個(gè)新的讓人激動(dòng)的研究領(lǐng)域，可以挑選出一種類型的細(xì)胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。

在光遺傳學(xué)試驗(yàn)中，研究人員能夠在感興趣的能調(diào)控電信號(hào)的靶細(xì)胞上表達(dá)來(lái)自視蛋白的光學(xué)門控離子通道（light-gated ion channels），比如視紫紅質(zhì)通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌紫質(zhì)（halorhodopsin）一類的視蛋白都已經(jīng)成為了神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的常用蛋白?？茖W(xué)家可以分別利用藍(lán)光和紅光來(lái)激活（去極化）或抑制（超極化）一系列的經(jīng)過遺傳改造的神經(jīng)元細(xì)胞。但是和其它任何一種生物研究工具一樣，這些視蛋白也不是十全十美，因此科學(xué)家又開始尋找新一代的光遺傳學(xué)工具。

技術(shù)新發(fā)展

近期光遺傳學(xué)技術(shù)也發(fā)展了一些新工具，研究人員希望能夠通過這些新方法研究神經(jīng)元細(xì)胞相互之間是如何形成功能的，以及通過控制著神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)部或者之間電信號(hào)的開關(guān)，達(dá)到神經(jīng)修復(fù)的作用。

比如今年哈佛大學(xué)的一個(gè)研究組制作了一個(gè)可以操控線蟲的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)——通過激光刺激培養(yǎng)皿中自由游動(dòng)的線蟲的單個(gè)神經(jīng)元，可以讓它們開始或停止游動(dòng)，給它們被撫摸的感覺，甚至可以促使它們產(chǎn)卵。

具體而言就是通過瞄準(zhǔn)精度高達(dá)30微米的激光束，來(lái)激活或抑制單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)，他們將顯微鏡放在一個(gè)專門定做的試驗(yàn)臺(tái)上，來(lái)跟蹤線蟲在培養(yǎng)皿里的活動(dòng)，同時(shí)還編寫了一個(gè)程序，通過分析顯微鏡中的圖像來(lái)鎖定目標(biāo)神經(jīng)細(xì)胞的位置，然后瞄準(zhǔn)細(xì)胞，發(fā)射激光束。

除此之外，還有其他研究小組已經(jīng)用光遺傳學(xué)技術(shù)控制過固定不動(dòng)的線蟲的單個(gè)神經(jīng)元。斯坦福大學(xué)的研究人員就通過光遺傳學(xué)技術(shù)對(duì)精心挑選的神經(jīng)元的電活動(dòng)進(jìn)行控制。

到目前為止，要刺激特定的神經(jīng)元，通常只能依靠電脈沖這種不精確和難以控制的技術(shù)。而光遺傳學(xué)技術(shù)則可讓研究人員使用一種新的光控方法高度精確地對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行刺激，同時(shí)還能按照意愿控制神經(jīng)元的開合。

斯坦福大學(xué)的研究人員先將這些小鼠神經(jīng)元改造得對(duì)光非常敏感，然后通過植入的光纖，用藍(lán)色光照亮位于大腦杏仁核區(qū)域的一個(gè)特定神經(jīng)回路。杏仁核是大腦中應(yīng)對(duì)恐懼、侵略等基本情緒的核心部位，也是嚙齒類動(dòng)物控制焦慮的部分。結(jié)果顯示，這些本來(lái)因恐懼而退縮到角落的小鼠開始勇敢地探索周圍的環(huán)境。

這說明未來(lái)也許可以通過調(diào)控神經(jīng)元，來(lái)治療包括焦慮癥和帕金森氏癥在內(nèi)的一系列神經(jīng)紊亂疾病。

與其它技術(shù)聯(lián)用

光學(xué)遺傳學(xué)在研究上的重要性與日俱增，尤其是當(dāng)它與其他技術(shù)結(jié)合使用時(shí)。近年來(lái)，神經(jīng)科學(xué)因功能性磁共振造影（fMRI）而有長(zhǎng)足進(jìn)展，雖然一般認(rèn)為這種掃描技術(shù)能偵測(cè)各種刺激下神經(jīng)線路的活動(dòng)，但嚴(yán)格說來(lái)，fMRI只能顯示腦部不同區(qū)域血氧濃度的改變，而這些改變不過是神經(jīng)活性的一個(gè)指標(biāo)。

來(lái)自斯坦福大學(xué)，光遺傳技術(shù)的發(fā)明者Karl Deisseroth的研究組在2010年結(jié)合光學(xué)遺傳學(xué)和fMRI，驗(yàn)證了局部刺激神經(jīng)元活化足以誘發(fā)在fMRI偵測(cè)到的複雜訊號(hào)，研究人員還能準(zhǔn)確并完整記錄到執(zhí)行功能的神經(jīng)線路，這是過去使用電極或藥物辦不到的。這說明通過光學(xué)遺傳學(xué)，可以檢測(cè)并促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)和精神病學(xué)豐富文獻(xiàn)中的研究。

臨床應(yīng)用

當(dāng)然現(xiàn)在說用于人體實(shí)驗(yàn)還為時(shí)尚早，但是已經(jīng)有一些研究成果已經(jīng)開始逐漸走向臨床應(yīng)用。

比如，斯坦福大學(xué)神經(jīng)病專家Amit Etkin正在努力促進(jìn)有關(guān)嚙齒類動(dòng)物焦慮癥研究成果的轉(zhuǎn)化，以利用現(xiàn)有工具改善人類相關(guān)疾病的治療。他采用的是經(jīng)顱磁刺激技術(shù)，希望能夠像激活小鼠大腦杏仁核區(qū)域的神經(jīng)回路從而減輕它們的焦慮癥狀那樣來(lái)激活人腦中類似的回路。雖然這種技術(shù)不如光遺傳學(xué)技術(shù)有針對(duì)性，但卻具有非侵入性的優(yōu)點(diǎn)。

另外神經(jīng)科學(xué)研究員Krishna V. Shenoy正在靈長(zhǎng)類動(dòng)物身上開展光遺傳學(xué)研究。在最近的一次實(shí)驗(yàn)中，他帶領(lǐng)的研究小組用病毒作為載體將視蛋白插入了恒河猴的大腦，從而能夠借助光來(lái)控制選定的神經(jīng)元，而植入光纖和病毒都沒有對(duì)這些恒河猴造成不良影響。

Shenoy表示，光遺傳學(xué)技術(shù)在開發(fā)新設(shè)備用以治療創(chuàng)傷性腦損傷和神經(jīng)修復(fù)方面將大有潛力。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局最近便宣布了一項(xiàng)旨在運(yùn)用光遺傳技術(shù)幫助傷殘老兵的計(jì)劃，Shenoy也是該項(xiàng)目組研究成員之一。“當(dāng)前的系統(tǒng)可以讓假肢觸及杯子，但由于缺乏人造觸覺，假肢很難將杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子?！彼f，“利用光遺傳學(xué)技術(shù)，通過位于假肢指尖的傳感器將信息直接傳遞回大腦，原則上可以提供一種高保真的人造觸覺。”

無(wú)論如何，光遺傳學(xué)開辟了一個(gè)讓人激動(dòng)的新研究領(lǐng)域，一些研究人員已經(jīng)開始設(shè)想，如果能夠克服生物醫(yī)學(xué)的挑戰(zhàn)，確保新基因安全地遞送到人體內(nèi)，基于光遺傳學(xué)的治療方法將直接應(yīng)用于人類。