大脑可像台灯一样开关

薛娇

光遗传学可能是当今神经科学中最热门的词汇。它是指通过改变细胞基因使其为光所操控的技术，即人们在不久的将来可像开关台灯一样开关大脑。

这个学科的诞生使神经科学家获得了前所未有的成就。其中两位发明者——美国斯坦福大学霍华德·休斯医学研究所卡尔·戴瑟罗斯教授与马萨诸塞州科技所博士波伊登，获得生命科学领域突破奖。该技术可远程操控电路，其中一例就是让一只老鼠在按下开关后跑圈。它能在老鼠探索不同环境时，显示和改变其记忆。这项研究类型使研究人员发现，在特定的神经回路和认知行为的多个方面之间可建立因果联系。

光遗传学通常指对神经元的控制。研究人员在细胞中插入一光感蛋白基因，接着细胞表面产生出这种蛋白。当细胞接触到光时，通道打开，带电粒子冲入细胞时，它使细胞“燃烧”到“顶峰”，向其他细胞发送电信号。常用的蛋白质是“光敏感通道蛋白”。人们最初在海藻里发现这种蛋白，但随后他们又在埃及盐湖中发现了另一种蛋白质。而一种称为非有利离子（氯离子）进入细胞中，它会阻止燃烧。因此研究人员利用这两种动物蛋白，通过光作用来开关其神经。通过光纤电缆即可实现控制开关，因此研究人员可通过移动的动物来控制神经元，并观察其移动时产生的影响。

通过不同形式的基因控制传递基因已成为可能。不同的基因在不同类型的细胞中打开或传递，因此在特定的伴随基因顺序中，催化剂在特定的细胞类型中表现活跃，因此能确保光蛋白在预定目标中产生。一旦克服了相关技术的各种难题，研究人员确信，他们就将成功地与单个神经元实现对话，甚至可与清醒的、功能正常的大脑对话，这些都属于史无前例。

这一发明说来话长。美国神经科学家和斯坦福大学精神实习科医生戴瑟罗斯与波伊登共同研发了最初的基于光敏感通道蛋白的光感制动细胞，这些成果使其获得突破奖。这项新成果集中克服了现存方法的局限性。这种主要类型基因插入指示器通常用于全光生物装置，钙指示器表明在神经元燃烧时，细胞中钙通道的打开使钙含量增大。指示器使用这种方法就能改变钙敏感蛋白，这与释放光的荧光蛋白相互关联。帝国理工大学光遗传学和电路神经科学家托马斯·诺普菲尔认为，钙发出的信号非常缓慢，只持续一秒左右，而大脑蛋白的发出速度稍快。在神经元不燃烧的情况下钙含量仍可改变，而不能使神经元燃烧则不会改变钙含量。

如何观察和刺激大脑细胞是另一大挑战。传统的单光子显微镜的渗透深度不够，对人体内组织吸收和散布光子的成像较差。双光子显微镜使用近红外线，从而克服了这些问题。较长的波长光线渗透人体内组织，但由于光子能量小，两者都必须撞击一个蛋白，使其活跃起来。它由此得名。这样的优点就是只有在光束集中的细小蛋白质上才可刺激。这也意味着，当试图激发单个神经元时，只有少数通道能被激活，但这并不足以触发峰值。

如今，该领域主要集中在寻找不重叠波长的蛋白质上。例如，哈佛大学生物物理学家亚当·科恩与其团队所呈现的成就与麻省理工大学波伊登团队相合作，创造出能够释放近红外线电压指示蓝波，随之产生光敏感通道蛋白。该团队对活老鼠使用了名为QuasAr 的指示器，当用红光监控时它能激发蓝光的神经元。

与过去的成果相比，该项技术是颠覆性的进步，它意味着能锁定功能集合体，实现操纵生物目标，最终能帮助定义大脑，成为行为产生的神经指令。一旦克服了上述挑战，光遗传学即可在实验室随意控制动物走动的同时，也能准确地监控单一神经元或大量神经元发出的触碰，这将改变世界神经科学。

编辑：成韵 chengyunpipi@126.com