發布時間：2019-07-03
大腦作為人體的司令部，控制著我們的一言一行。如果能夠控制人的大腦，我們就可以改變人的思維，控制人的行為了?？此撇豢蓪崿F的想法，科學家們早已經邁出了第一步。他們不需要咒語，不需要魔杖，只需要通過一束光，就可以讓動物的行為發生變化。這可不是什么天方夜譚的魔術，這項高大上的新興技術叫做光遺傳學（Optogenetics）！
光遺傳學就是用特定的光作為控制信號，用遺傳學的方法在大腦中安裝一個光控的開關。當光一打開，大腦中某個腦區的開關就打開了，大腦的某項功能就開始運作。這就像我們家里的遙控器，我們可以用遙控器發出的紅外光控制電視的打開。當然，這個開關可以安裝在大腦的不同的部位，負責不同的功能，就像不同的遙控器負責不同的電器一樣。
這種光控開關其實是一種光敏感通道蛋白（ Channelrhodopsin-2 ，簡稱 ChR2 ）。這種蛋白質可以“看到”藍光，當這些蛋白質“看到”藍光時，形狀就發生變化，變成一個可以讓離子通過的通道。在神經元的周圍有很多帶正電的離子，當離子通道打開時，這些陽離子就會迅速通過離子通道流進細胞的身體內。這些離子就像興奮劑一樣，能夠讓神經元興奮起來（圖1）。
這樣，光就成了神經元的指揮棒了，神經元就可以像燈泡一樣被打開或者關閉。通過藍光激活光感受蛋白并使神經元興奮，進而控制大腦，這就是光遺傳學的原理。
圖1 細胞膜上的光敏感通道蛋白
給大腦裝上光控開關，這么巧妙的技術是誰發明的呢？
當然是我們的大自然了。其實在神經元家族中，有種特殊的細胞可以看到光，而且可以將光信號轉換成電信號，將信息傳遞到大腦。它就是眼睛里的光感受器細胞，在這種神經元身體中有一種能夠感光的蛋白質，叫做視紫紅質（ Rhodopsin ）。正是因為這個可以感光的開關，光感受器細胞就可以受光的控制（圖2）。
圖2 光感受器細胞和視紫紅質（引自The Journal of Neuroscience,2013，33(41):16045–16059）
但是，在我們大腦中的神經元，并沒有視紫紅質的表達，所以它們看不見光，也不會受到光的控制。幾百年來，科學家們苦苦尋找控制腦中神經元的方法，雖然他們已經可以通過電流來刺激神經元興奮，或者通過一些藥物來失活神經元的活動，但是這些方法都有很大的局限性，比如不能實現對特定種類神經元的精準操控。
直到有一天，美國的Karl Deisseroth教授，將眼睛看東西的原理應用到了大腦中的神經元里。他將光敏感的通道蛋白表達到小鼠大腦的神經元里，這就相當于給大腦中的神經元裝上了眼睛。然后通過植入大腦內部的光纖給特定腦區的神經元倒導入激光，這就實現了對特定腦區的光刺激。這樣，他就可以用光控制大腦中神經元的活動了。
他到底是怎么做的呢？那就讓我帶你們走進實驗室，近距離地觀察下這項高精尖技術吧。
一般來說，用光遺傳學方法控制小鼠包括四個步驟（圖3）。
首先，我們需要通過遺傳學的方法將光敏感通道蛋白表達在大腦的神經元里。我們可以通過利用已經表達有光遺傳通道蛋白的轉基因小鼠，當然也可以通過病毒注射的方法將這種蛋白表達在神經元上。
圖3 在小鼠腦內表達光敏感通道蛋白（張赫 孫新堯 繪制）
之后我們還需要將藍光光纖插入到小鼠的特定腦區。大腦的不同腦區負責不同的功能。例如，后腦勺的枕葉負責視覺，耳朵附近的顳葉負責聽覺。所以，我們用藍光激活不同腦區的神經元時，就會開啟大腦不同的功能。
圖4 在小鼠特定腦區插入光纖（張赫 孫新堯 繪制）
然后，我們打開藍光，神經元上的光敏感通道被打開。當陽離子進入神經元，神經元就會興奮，這種神經元負責的功能就會開啟。光遺傳學技術的一個優勢就是，它能夠讓光敏感通道蛋白只表達在特定種類的神經元中，進而使得科研人員能夠操控特定種類的神經元。
圖5 打開藍光激活特定神經元
最后，我們觀察小鼠在給光和不給光時行為的變化，就知道小鼠如何被我們控制了。例如，我們激活負責進食的神經元，小鼠就會不停地進食。這樣，小鼠的進食行為就
僅僅受小鼠自己的大腦控制了，我們也可以輕松的控制小鼠的行為了。
圖6 觀察光刺激時小鼠的行為
光遺傳學技術不僅在科學研究上大放異彩，在治療神經類疾病時，也展現了巨大的潛力。最直接的應用之一就是治療由于視網膜病變引起的視力下降。來自美國麻省理工學院的 Ed Boyden 教授在用光遺傳學技術治療眼疾方面做出了杰出貢獻。在視網膜退化的小鼠模型里，他們試圖將光敏感通道蛋白表達在本來不感光的雙極細胞中。這樣，當視網膜中能夠感光的光感受器細胞退化后，大腦仍然可以利用雙極細胞來看到外面的世界。當然，這個想法不會只停留在治療眼盲小鼠上，科學家們已經想到通過光遺傳學技術治療很多種神經類疾病了
。
圖7 光遺傳學在科研和實際中的應用
科學技術在不斷的進步，不斷地打破人類的認識局限。就如光遺傳學一樣，一下子讓我們感覺好像控制人的大腦已經變得觸手可及了。其實每項技術的誕生到應用，需要很多年很多人的努力才能最終普及開來。而且任何現在看似先進的技術，都有其局限性。在不久的將來，光遺傳學技術也可能會被無情的淘汰，也一定會有更加讓人意想不到的技術誕生出來。所以，在我們對這項技術歡欣鼓舞的同時，也應該知道沒有一項技術是完美的。切不要盲目認為，有了光遺傳技術，我們就可以真的控制人的大腦了，整個世界將變得不可控制。也不能盲目樂觀的認為很多疾病能夠一下就治好了。神經類疾病有著復雜的發病機理，僅僅通過一項手段或者一種藥物，是不能治愈的。我們只能期盼科學家們能夠利用好這項技術，解開更多的大腦未解之謎。
（審核：顧勇）
參考文獻：
Theresa Puthussery,Sowmya Venkataramani,Jacqueline Gayet-Primo,Robert G. Smith,and W. Rowland Taylor.(2013).NaV1.1 Channels in Axon Initial Segments of Bipolar Cells Augment Input to Magnocellular Visual Pathways in the Primate Retina.The Journal of Neuroscience,33(41):16045–16059
Bernhard Knierim, Klaus Peter Hofmann, Oliver P. Ernst and Wayne L. Hubbell.(2007). Sequence of late molecular events in the activation of rhodopsin.PNAS,104(51):20290-20295
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