光遗传学 – 用光控制细胞和动物

利用光遗传学技术，研究人员只需使用光(通常来自激光器)就能激活、失活和操控神经细胞。

三百多年前，路易吉·伽伐尼发现青蛙的腿在通电后会产生抽搐。 这是因为神经细胞(神经元)是通过产生电脉冲来工作的，电脉冲沿着每个神经元传递。 电脉冲被称为“动作电位”。

在过去相当长的时间里，科学家们一直使用微型电极向神经元施加电脉冲，使神经元按指令发射脉冲。 他们利用这个过程，来研究某些神经元是如何连接在一起的，并且判断出大脑的不同部分对身体的相应位置的控制。

但是，大脑不仅仅控制身体运动。 它还可以思考、记忆并处理来自感觉器官(眼睛、耳朵等)的所有传入信号。 大约 25 年前，我们还不太了解大脑如何执行最普通的任务，比如回忆一个名字或记起朋友的面容。

现在，情况大不一样了。 科学家们使用各种工具和技术来研究动物的大脑。 尤其是老鼠，经常被用作测试对象，因为它是一种哺乳动物，其大脑的基本结构与人类相似。

光遗传学点亮神经科学研究

光遗传学是神经科学家使用的最新研究方法。 它使用光而不是电极来刺激神经。 为了实现这一点，科学家们使用了一种称为视蛋白的特殊蛋白质分子。 这种蛋白质在受到光照射时会产生反应。

2005 年，神经科学家 Karl Deisseroth、Ed Boyden 和他们的同事表示可以对动物(包括小鼠)进行基因工程，开发包含视蛋白的神经细胞，使动物神经细胞对光刺激变得敏感。 更重要的是，他们可以精确地操控神经细胞，准确地选择哪种类型的神经细胞“表达”哪种视蛋白。

因此，现在只需将某种颜色的光照射在活鼠上，就可以刺激它们的神经细胞发射电脉冲，而不是通过物理方式用电极刺激神经细胞。 或者，可以使用不同的视蛋白，对其照射另一种颜色的光进行刺激，让神经细胞停止发射电脉冲。 这就是光遗传学。

激光器为光遗传学提供光源

光遗传学的最大优势在于，光是一种非接触式可选择性工具，其干扰性远低于物理电极。 并且光可以快速地移动，不会伤害受试动物。 另外，如果使用激光，可以聚焦到一个小点，使大脑特定部位的神经细胞受到激活或去激活。

先进的光遗传学实验使用超快激光器，例如 Coherent Monaco。 超快激光器的优势在于，它们可以利用多光子激发的效应，选择性地激发小鼠大脑的单个神经元。此外，激光器发射的红外光可有效穿透大脑皮层。

越来越多的神经科学家推出由计算机算法控制的神经元多点激发模式。 这种模式能够刺激数百个精确定位的神经元，分析它们如何相互作用。 这项技术需要使用多光子激发 (MPE) 显微技术，借助如 Coherent Axon 、 Chameleon 系列及 Monaco 激光器。

最终，神经科学家可以实时测量出相互作用和传递信号的神经元数量。 在人们首次认识到神经细胞通过电脉冲工作近 250 年后，科学家们终于弄清楚了老鼠的大脑是如何决定向右转还是向左转。 现在，如果我们能记住我们把车钥匙放在哪里了……

审核编辑 黄宇