用光控制神經細胞開啟了研究大腦的新方法

經過基因改造產生藻類蛋白質的神經細胞變成了光控的傀儡。 閃光可以誘導安靜的神經元發出信號或迫使活躍的神經元陷入沉默。

“這個分子就是我們需要的光傳感器，” 視覺神經科學家潘卓華說，他一直在尋找一種控制小鼠視網膜視覺細胞的方法。

這些借用蛋白啟用的方法現在稱為光遺傳學，因其光（光電）和基因的結合。 在不到二十年的時間裡，光遺傳學對記憶的儲存方式、感知的形成因素以及憂鬱症和成癮期間大腦出現的問題有了深入的了解。

科學家利用光來驅動某些神經細胞的活動，玩弄了老鼠的幻覺：老鼠有看到不存在的線條並有記得一個他們從未去過的房間。 科學家利用光遺傳學技術培育出小鼠戰鬥，夥伴和吃， 乃至讓失明老鼠重見光明。 最近，光遺傳學取得了重大進展恢復盲人視力的各個方面。

2004 年8 月4 日凌晨1 點左右，我們得到了關於光遺傳學潛力的早期線索。的基因，稱為通道視紫質(channelrhodopsin-2)。 博伊登打算向細胞發出藍光，看看它們是否會發出訊號。 博伊登在一篇文章中寫道，令他驚訝的是，他檢查的第一個細胞對光線做出了爆發性的反應。2011年帳目。 史丹佛大學的 Boyden、Karl Deisseroth 及其同事在 2005 年的技術報告中描述了這一小小的活動火花所帶來的可能性，很快就變成了現實。

在潘的實驗室中，光響應蛋白恢復了視網膜受損的小鼠的視力，這項發現現已導致人體臨床試驗。 光遺傳學？ 在早期，當科學家第一次學習如何在神經元中使用這些蛋白質時，並沒有給予希望。 “當時沒有人預料到這項光遺傳學工作會產生如此巨大的影響，” 潘說。

自從這些早期發現以來，藻類的光感測器已被用於許多大腦研究領域。 例如，芝加哥西北大學的神經科學家塔利亞·勒納 (Talia Lerner) 使用光遺傳學來研究小鼠大腦細胞之間的關聯。 這種方法使她能夠梳理出產生多巴胺並對其做出反應的細胞之間的關係，多巴胺是一種與運動和獎勵有關的化學信使。 這些由光遺傳學闡明的細胞連結可能有助於揭示有關動機和學習的細節。 “如果沒有光遺傳學，我的研究真的不可能以目前的形式進行，” 她說。

對舊金山格拉斯頓研究所的珍妮‧帕茲來說，光遺傳學也是不可或缺的。 她和她的同事一直在尋找可以阻止癲癇發作在大腦中蔓延的細胞。 光遺傳學為她提供了一種控制不同神經元組的方法，這對她的研究至關重要。 ？ 帕茲說。

她的光遺傳學輔助搜尋使帕茲找到了一種稱為丘腦的大腦結構，它是大腦中許多神經網路的中轉站。 “我記得當我第一次用光照射丘腦並停止癲癇發作時，我經歷了雞皮疙瘩，” 她說。

到目前為止，光遺傳學研究主要在小鼠身上進行。 但哥倫比亞大學的亞斯明·埃爾-沙邁勒 (Yasmine El-Shamayleh) 表示，可能很快就會發現對更複雜的大腦（包括靈長類大腦）的見解。 2009 年，Boyden 及其同事描述了光遺傳學奇異果。 El-Shamayleh 和其他人正在努力推動這項研究方向。 ？ 她說，揭示靈長類大腦的一些有趣原理，例如大腦如何將眼睛發出的信號轉化為感知。