林竹蕭蕭 2011-12-25 20:30:16
愛是一道光，如此美妙，指引我們想要的未來……光真的可以指引我們想要的未來嗎？神經科學家們或許已經邁出了第一步。光線一閃，乖乖聽話的科幻橋段正在上演。
電影《黑衣人2》劇照 來源：douban.com
愛是一道光，如此美妙，指引我們想要的未來……
光真的可以指引我們想要的未來嗎？
神經科學家或許可以。他們一直夢想著能夠隨意控制特異神經元的活性?，F在，光讓他們夢想成真了！光遺傳學技術實現了特異、快速、直接地改變神經元活性，從而使“光”成了腦細胞乃至動物行為的開關。無數的神經科學難題將以嶄新的視角被重新闡述。你準備好迎接時下的最新技術了嗎？
小鼠行為“光”說了算
電影《黑衣人》中，只要閃光筆一閃，目擊者便會瞬間失去記憶?，F實可能比電影中更神奇：科學家已經能夠用特定波長的可見光來準確無誤地控制小鼠的特定行為。
他們給小鼠的腦袋接上光纖，只要藍光一亮，小鼠立即開始轉圈跑，而燈滅的時候小鼠完全正常。斯坦福大學的研究人員們更是利用此技術讓熟睡中的小鼠在毫無其他外界刺激的條件下瞬間完全清醒（一秒鐘，變清醒?。1]。
除此之外，科學家還能夠通過藍光控制果蠅的逃逸行為，用黃光使扭動的蠕蟲安靜下來，用藍光控制小鼠心肌細胞收縮節(jié)律使之與藍光頻閃同步。（見證奇跡請看視頻[3] ）如此神奇的本領讓《自然》雜志都稱贊不已，光遺傳學技術榮獲2010年“自然技術”年度榮譽[2]。
跨領域合作成就新技術
光遺傳學中的“遺傳”兩字乍一看很容易讓人聯想到“豌豆大叔”孟德爾的經典遺傳學。然而實際上遺傳學和基因學在英文中都是genetics，光遺傳學（optogenetics）的全稱是“光刺激基因工程”（optical stimulation plus genetic engineering）。它將微生物學、現代遺傳（基因）學、神經科學、生物工程科學等各項技術結合起來，實現了對特殊細胞活性的定向控制[4]。這和我們想象中的傳統(tǒng)遺傳學著實相去甚遠。
那么，光遺傳學技術究竟如何實現呢？
早在上個世紀，微生物科學家就已經發(fā)現某些藻類中存在“微生物視蛋白”。這些蛋白就像光控開關一樣，能夠被特異波長的光（最常見如可見光藍光、黃光）激活或抑制，使細胞膜離子通道活性發(fā)生改變，從而細胞活性亦發(fā)生變化。
科學家將編碼相應視蛋白的基因從藻類DNA中分離，并給它加上一個特異啟動子（可以理解為開關），然后載入相應的病毒內；再通過腦內定位注射技術將病毒注射入實驗動物腦內特定部位、連上光纖[5] ，至此，大功告成，光控開關安裝完畢！只等微生物視蛋白在被感染的神經元中特異表達就能見證奇跡了（相關視頻請翻墻猛擊：[6]）。
來源：Scientific American
特異、快速、直接地控制神經元
光遺傳學技術表面看上去只是一項能夠改變神經元興奮性的技術，為何它會被冠以“劃時代”的名號并被《自然》雜志予以極高殊榮呢？
藥物注射、電刺激等等也能改變細胞活性。但藥物注射的作用多是全身性的，但凡存在藥物受體的細胞都會受到藥物作用；即使在定位注射等技術手段的輔助之下，注射部位周圍細胞也可能受到藥物的影響。電刺激亦是如此，很難保證僅僅同一類神經元細胞接受電刺激信號[4]。如果將交錯繁雜的神經元比作隱藏著罪犯（目標神經元）的擁擠人群的話，抓賊過程中放電（電刺激）和撒藥（藥物刺激）都將無可避免地“牽連無辜”。
與之相反，光遺傳學技術的重要突破之一就在于它真正實現同類細胞被精確地刺激：通過給特定的細胞裝上開關（特異性啟動子），微生物光敏蛋白能夠非常精確地在某一類神經元中表達，即使這些神經元同其他神經細胞交織如網，亦能夠保證在光照下的準確激活或抑制[5]。
光遺傳學技術幾乎使得特定行為和光刺激同步發(fā)生。它無需等待血液或其他介質將刺激源運到靶點細胞（實際上，刺激是以光速抵達靶點細胞）；亦不存在半衰期等藥物代謝特性，一旦光照停止，刺激立即結束。而相對于激素等通過受體調控基因轉錄表達等間接刺激而言，光遺傳學技術使得因果之間的聯系更為直觀。
神經科學的重新思考
理論上光遺傳學技術可以運用在任何細胞系（可長期連續(xù)傳代的培養(yǎng)細胞）中，但目前最熱門的還是其在神經科學領域的廣泛應用。它在技術水平上的巨大突破使得我們能夠從全新的角度再次思考與探索近乎整個神經科學領域——所有神經科學的問題，我們都可以再一次提問：究竟是哪種神經元在起作用？
記憶是如何形成的，又儲存在哪里？哪些神經元參與了感知的形成？不同行為表現究竟有哪些神經元參與？在神經科學領域我們似乎從自行車時代步入了汽車時代。駕駛汽車再一次探險這知識的世界，你準備好了嗎？
編輯的話：五顏六色的光改變我們的行為，但并不代表我們的性格是有色彩的。《
樂嘉“性格色彩學”是個山寨貨？ 》
參考文獻：
[1]. Rolls, A., et al., Optogenetic disruption of sleep continuity impairs memory consolidation. Proc Natl Acad Sci U S A, 2011. 108(32): p. 13305-10.
[2].
Nature Methods 2010 .. Nature Methods 2010:
http://www.nature.com/nmeth/journal/v8/n1/full/nmeth.f.322.html?pagewanted=all[3].
Optogenetics .. Optogenetics:
//v.youku.com/v_show/id_XMzAxNDc2NTc2.html[4].
Light science: optogenetics .. Light science: optogenetics:
http://sciencecalling.com/2011/08/12/light-science-optogenetics/[5]. Nowak, V.A., et al., Optogenetics--shining light on neurosurgical conditions. Br J Neurosurg, 2010. 24(6): p. 618-24.
[6].
Optogenetics: Controlling the brain with light .. Optogenetics: Controlling the brain with light:
http://www.youtube.com/watch?v=QA67v4vSg00&feature=player_embedded
