大腦可像臺燈一樣開關

薛嬌

光遺傳學可能是當今神經科學中最熱門的詞匯。它是指通過改變細胞基因使其為光所操控的技術，即人們在不久的將來可像開關臺燈一樣開關大腦。

這個學科的誕生使神經科學家獲得了前所未有的成就。其中兩位發明者——美國斯坦福大學霍華德·休斯醫學研究所卡爾·戴瑟羅斯教授與馬薩諸塞州科技所博士波伊登，獲得生命科學領域突破獎。該技術可遠程操控電路，其中一例就是讓一只老鼠在按下開關后跑圈。它能在老鼠探索不同環境時，顯示和改變其記憶。這項研究類型使研究人員發現，在特定的神經回路和認知行為的多個方面之間可建立因果聯系。

光遺傳學通常指對神經元的控制。研究人員在細胞中插入一光感蛋白基因，接著細胞表面產生出這種蛋白。當細胞接觸到光時，通道打開，帶電粒子沖入細胞時，它使細胞“燃燒”到“頂峰”，向其他細胞發送電信號。常用的蛋白質是“光敏感通道蛋白”。人們最初在海藻里發現這種蛋白，但隨后他們又在埃及鹽湖中發現了另一種蛋白質。而一種稱為非有利離子（氯離子）進入細胞中，它會阻止燃燒。因此研究人員利用這兩種動物蛋白，通過光作用來開關其神經。通過光纖電纜即可實現控制開關，因此研究人員可通過移動的動物來控制神經元，并觀察其移動時產生的影響。

通過不同形式的基因控制傳遞基因已成為可能。不同的基因在不同類型的細胞中打開或傳遞，因此在特定的伴隨基因順序中，催化劑在特定的細胞類型中表現活躍，因此能確保光蛋白在預定目標中產生。一旦克服了相關技術的各種難題，研究人員確信，他們就將成功地與單個神經元實現對話，甚至可與清醒的、功能正常的大腦對話，這些都屬于史無前例。

這一發明說來話長。美國神經科學家和斯坦福大學精神實習科醫生戴瑟羅斯與波伊登共同研發了最初的基于光敏感通道蛋白的光感制動細胞，這些成果使其獲得突破獎。這項新成果集中克服了現存方法的局限性。這種主要類型基因插入指示器通常用于全光生物裝置，鈣指示器表明在神經元燃燒時，細胞中鈣通道的打開使鈣含量增大。指示器使用這種方法就能改變鈣敏感蛋白，這與釋放光的熒光蛋白相互關聯。帝國理工大學光遺傳學和電路神經科學家托馬斯·諾普菲爾認為，鈣發出的信號非常緩慢，只持續一秒左右，而大腦蛋白的發出速度稍快。在神經元不燃燒的情況下鈣含量仍可改變，而不能使神經元燃燒則不會改變鈣含量。

如何觀察和刺激大腦細胞是另一大挑戰。傳統的單光子顯微鏡的滲透深度不夠，對人體內組織吸收和散布光子的成像較差。雙光子顯微鏡使用近紅外線，從而克服了這些問題。較長的波長光線滲透人體內組織，但由于光子能量小，兩者都必須撞擊一個蛋白，使其活躍起來。它由此得名。這樣的優點就是只有在光束集中的細小蛋白質上才可刺激。這也意味著，當試圖激發單個神經元時，只有少數通道能被激活，但這并不足以觸發峰值。

如今，該領域主要集中在尋找不重疊波長的蛋白質上。例如，哈佛大學生物物理學家亞當·科恩與其團隊所呈現的成就與麻省理工大學波伊登團隊相合作，創造出能夠釋放近紅外線電壓指示藍波，隨之產生光敏感通道蛋白。該團隊對活老鼠使用了名為QuasAr 的指示器，當用紅光監控時它能激發藍光的神經元。

與過去的成果相比，該項技術是顛覆性的進步，它意味著能鎖定功能集合體，實現操縱生物目標，最終能幫助定義大腦，成為行為產生的神經指令。一旦克服了上述挑戰，光遺傳學即可在實驗室隨意控制動物走動的同時，也能準確地監控單一神經元或大量神經元發出的觸碰，這將改變世界神經科學。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.com