林竹蕭蕭 2011-12-25 20:30:16
愛(ài)是一道光，如此美妙，指引我們想要的未來(lái)……光真的可以指引我們想要的未來(lái)嗎？神經(jīng)科學(xué)家們或許已經(jīng)邁出了第一步。光線(xiàn)一閃，乖乖聽(tīng)話(huà)的科幻橋段正在上演。
電影《黑衣人2》劇照 來(lái)源：douban.com
愛(ài)是一道光，如此美妙，指引我們想要的未來(lái)……
光真的可以指引我們想要的未來(lái)嗎？
神經(jīng)科學(xué)家或許可以。他們一直夢(mèng)想著(zhù)能夠隨意控制特異神經(jīng)元的活性?，F在，光讓他們夢(mèng)想成真了！光遺傳學(xué)技術(shù)實(shí)現了特異、快速、直接地改變神經(jīng)元活性，從而使“光”成了腦細胞乃至動(dòng)物行為的開(kāi)關(guān)。無(wú)數的神經(jīng)科學(xué)難題將以嶄新的視角被重新闡述。你準備好迎接時(shí)下的最新技術(shù)了嗎？
小鼠行為“光”說(shuō)了算
電影《黑衣人》中，只要閃光筆一閃，目擊者便會(huì )瞬間失去記憶?，F實(shí)可能比電影中更神奇：科學(xué)家已經(jīng)能夠用特定波長(cháng)的可見(jiàn)光來(lái)準確無(wú)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(kāi)始轉圈跑，而燈滅的時(shí)候小鼠完全正常。斯坦福大學(xué)的研究人員們更是利用此技術(shù)讓熟睡中的小鼠在毫無(wú)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(xué)家還能夠通過(guò)藍光控制果蠅的逃逸行為，用黃光使扭動(dòng)的蠕蟲(chóng)安靜下來(lái)，用藍光控制小鼠心肌細胞收縮節律使之與藍光頻閃同步。（見(jiàn)證奇跡請看視頻[3] ）如此神奇的本領(lǐng)讓《自然》雜志都稱(chēng)贊不已，光遺傳學(xué)技術(shù)榮獲2010年“自然技術(shù)”年度榮譽(yù)[2]。
跨領(lǐng)域合作成就新技術(shù)
光遺傳學(xué)中的“遺傳”兩字乍一看很容易讓人聯(lián)想到“豌豆大叔”孟德?tīng)柕慕?jīng)典遺傳學(xué)。然而實(shí)際上遺傳學(xué)和基因學(xué)在英文中都是genetics，光遺傳學(xué)（optogenetics）的全稱(chēng)是“光刺激基因工程”（optical stimulation plus genetic engineering）。它將微生物學(xué)、現代遺傳（基因）學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物工程科學(xué)等各項技術(shù)結合起來(lái)，實(shí)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遺傳學(xué)著(zhù)實(shí)相去甚遠。
那么，光遺傳學(xué)技術(shù)究竟如何實(shí)現呢？
早在上個(gè)世紀，微生物科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現某些藻類(lèi)中存在“微生物視蛋白”。這些蛋白就像光控開(kāi)關(guān)一樣，能夠被特異波長(cháng)的光（最常見(jiàn)如可見(jiàn)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(xué)家將編碼相應視蛋白的基因從藻類(lèi)DNA中分離，并給它加上一個(gè)特異啟動(dòng)子（可以理解為開(kāi)關(guān)），然后載入相應的病毒內；再通過(guò)腦內定位注射技術(shù)將病毒注射入實(shí)驗動(dòng)物腦內特定部位、連上光纖[5] ，至此，大功告成，光控開(kāi)關(guān)安裝完畢！只等微生物視蛋白在被感染的神經(jīng)元中特異表達就能見(jiàn)證奇跡了（相關(guān)視頻請翻墻猛擊：[6]）。
來(lái)源：Scientific American
特異、快速、直接地控制神經(jīng)元
光遺傳學(xué)技術(shù)表面看上去只是一項能夠改變神經(jīng)元興奮性的技術(shù)，為何它會(huì )被冠以“劃時(shí)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(huì )受到藥物作用；即使在定位注射等技術(shù)手段的輔助之下，注射部位周?chē)毎部赡苁艿剿幬锏挠绊?。電刺激亦是如此，很難保證僅僅同一類(lèi)神經(jīng)元細胞接受電刺激信號[4]。如果將交錯繁雜的神經(jīng)元比作隱藏著(zhù)罪犯（目標神經(jīng)元）的擁擠人群的話(huà)，抓賊過(guò)程中放電（電刺激）和撒藥（藥物刺激）都將無(wú)可避免地“牽連無(wú)辜”。
與之相反，光遺傳學(xué)技術(shù)的重要突破之一就在于它真正實(shí)現同類(lèi)細胞被精確地刺激：通過(guò)給特定的細胞裝上開(kāi)關(guān)（特異性啟動(dòng)子），微生物光敏蛋白能夠非常精確地在某一類(lèi)神經(jīng)元中表達，即使這些神經(jīng)元同其他神經(jīng)細胞交織如網(wǎng)，亦能夠保證在光照下的準確激活或抑制[5]。
光遺傳學(xué)技術(shù)幾乎使得特定行為和光刺激同步發(fā)生。它無(wú)需等待血液或其他介質(zhì)將刺激源運到靶點(diǎn)細胞（實(shí)際上，刺激是以光速抵達靶點(diǎn)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(guò)受體調控基因轉錄表達等間接刺激而言，光遺傳學(xué)技術(shù)使得因果之間的聯(lián)系更為直觀(guān)。
神經(jīng)科學(xué)的重新思考
理論上光遺傳學(xué)技術(shù)可以運用在任何細胞系（可長(cháng)期連續傳代的培養細胞）中，但目前最熱門(mén)的還是其在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛應用。它在技術(shù)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(gè)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域——所有神經(jīng)科學(xué)的問(wèn)題，我們都可以再一次提問(wèn)：究竟是哪種神經(jīng)元在起作用？
記憶是如何形成的，又儲存在哪里？哪些神經(jīng)元參與了感知的形成？不同行為表現究竟有哪些神經(jīng)元參與？在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域我們似乎從自行車(chē)時(shí)代步入了汽車(chē)時(shí)代。駕駛汽車(chē)再一次探險這知識的世界，你準備好了嗎？
編輯的話(huà)：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?！?a target="_blank" >樂(lè )嘉“性格色彩學(xué)”是個(gè)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
