用一束光，控制大腦

一只小鼠來到一只新籠子里，正在好奇地到處探索。它的頭上接著一根光纖。突然，光纖上一道藍光閃過，小鼠好像想起了什么可怕的事情，恐懼地縮成一團……這不是科幻電影中的場景，而是真實地發(fā)生在美國麻省理工學(xué)院的一個生物實驗室中。研究人員的工作，就是試圖用光控制小鼠的大腦，操縱它的記憶。

為什么要給大腦“開燈”

如果你打算做一項小研究，比如看看光照對植物的作用，那么可以種兩株種類相同的植物，一株每天有光照，另一株永遠生長在黑暗環(huán)境里，然后觀察它們的生長情況有什么差別。真正的科學(xué)家所做的工作也類似，他們想研究一段基因、一種環(huán)境因素或是一類細胞（比如叫作神經(jīng)元的細胞），就會試著在其他條件不變的情況下，精確地改變待研究的因素，并觀察結(jié)果。

不過，想要用這種策略研究大腦十分困難。原因是，大腦太復(fù)雜了！人腦有數(shù)千億個神經(jīng)元，而每個神經(jīng)元又可以和成千上萬的同伴相連，并通過電流傳遞信息，就像一根根電線交織而成的超級電網(wǎng)。我們的記憶、認知、感情、學(xué)習(xí)能力、語言能力和意識，都深深地埋藏在這幾千億個神經(jīng)元和相互之間的連接里。

神經(jīng)生物學(xué)家常常用電極或藥物來控制神經(jīng)元，觀察它們的活動。但想要精確地刺激一小塊腦組織，或者把執(zhí)行某個功能的同類神經(jīng)元“一網(wǎng)打盡”，用以前的方法都很難完美地實現(xiàn)。

在這種情況下，神經(jīng)生物學(xué)家想到了一種工具——光。

給大腦裝上“眼睛”

眼睛為什么能看到光？這是因為視網(wǎng)膜上有一群可以感知光的蛋白質(zhì)。當(dāng)光線射入眼睛以后，光子可以“敲開”這些蛋白質(zhì)，隨后產(chǎn)生的一系列復(fù)雜的變化讓細胞可以放電，并把電信號一直傳遞到大腦。換句話說，這些感光蛋白可以把光能轉(zhuǎn)化成電能，原理類似于太陽能電池板以及數(shù)碼照相機中的感光板。如果把感光蛋白裝進腦中的神經(jīng)元，不就相當(dāng)于給神經(jīng)元裝上了眼睛嗎？

除了視網(wǎng)膜中有感光蛋白，生物學(xué)家在細菌、水藻等微生物中也找到了多種感光蛋白。他們還把一種病毒改造為“運輸大隊”，讓改造過的病毒把那些感光蛋白的基因帶進神經(jīng)元，從而給神經(jīng)元裝上了“眼睛”?？茖W(xué)家管這種技術(shù)叫作光遺傳學(xué)。

控制神經(jīng)元的開關(guān)

更棒的是，神經(jīng)生物學(xué)家還能把感光蛋白“綁定”到一小部分特定的神經(jīng)元身上。比如，給小鼠腦中負責(zé)存儲恐懼記憶的神經(jīng)元裝上感光蛋白。當(dāng)一陣光閃過，這些“恐懼神經(jīng)元”被激活，小鼠如同遭受電擊，憑空產(chǎn)生了恐懼的感覺，嚇得一動不動——這就是文章開頭那只小鼠的故事。

除了可以“打開”神經(jīng)元的感光蛋白，美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家還找到了一種感光蛋白，可以反過來抑制神經(jīng)元活動。裝配了這些蛋白的神經(jīng)元遇到光信號后，原本正積極放電，會立刻偃旗息鼓，安靜下來。這兩種蛋白就好像是開關(guān)，可以讓科學(xué)家方便地打開或關(guān)閉想要研究的神經(jīng)元。

照亮未來的光遺傳技術(shù)

光遺傳學(xué)出現(xiàn)還不到十年，科學(xué)家已經(jīng)能在很多動物身上應(yīng)用這種技術(shù)了。只需要一束精確控制的激光，他們就能控制線蟲游泳、排卵，或是產(chǎn)生被撫摸的感覺，就能讓本想接近雌性果蠅的雄性果蠅落荒而逃，甚至還能讓染上毒癮的小鼠厭惡毒品，能制造和刪除小鼠的記憶。借助這種方法，科學(xué)家打開了一盞新的燈，讓它照亮黑暗森林中神秘的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了很多新的神經(jīng)功能原理。

除此之外，光遺傳學(xué)也有可能在未來治療腦部疾病。例如，癲癇患者發(fā)作的時候，大腦中一些神經(jīng)元會過分活躍。腦電圖記錄顯示，病人在癲癇發(fā)作前，神經(jīng)元正穩(wěn)定而有節(jié)奏地活動，就像不同樂部在合奏一曲交響樂；當(dāng)癲癇發(fā)作，就像所有的音樂家突然不顧樂譜，開始用最大的音量胡亂演奏。這時，如果有光遺傳學(xué)的“開關(guān)”抑制這些失控的神經(jīng)元，就能緩解癲癇的癥狀。2013年，美國加州大學(xué)的科學(xué)家就嘗試著在實驗動物身上用光遺傳學(xué)治療癲癇。在給小鼠大腦轉(zhuǎn)入對光敏感的一個基因后，只要用光一照，這些小鼠的癲癇發(fā)作會立刻停止。

利用光控開關(guān)還可以修改記憶，這也可能幫助治療某些和記憶有關(guān)的疾病。創(chuàng)傷后壓力綜合征的患者往往經(jīng)歷過極其可怕的事件（比如戰(zhàn)爭和自然災(zāi)難），并在很長時間里難以自拔，出現(xiàn)了很多精神癥狀。如果用光遺傳技術(shù)減輕他們對災(zāi)難的記憶，就有可能緩解壓力癥狀。還有一些科學(xué)家正在想辦法把光遺傳學(xué)用于帕金森病和阿爾茨海默癥等腦病。

為了讓光遺傳學(xué)更好地發(fā)揮作用，科學(xué)家還在繼續(xù)改進感光蛋白的敏感度。他們用化學(xué)方法修改現(xiàn)有的感光蛋白，這樣只要有很微弱的光，就可以產(chǎn)生很顯著的反應(yīng)。當(dāng)然，如果想用這種技術(shù)治療人類疾病，科學(xué)家還需要讓相關(guān)的技術(shù)變得更可靠。畢竟，在沒有足夠保障時去改變?nèi)说拇竽X，可不是一個讓大家放心的主意。