大腦可像臺(tái)燈一樣開關(guān)

薛嬌

光遺傳學(xué)可能是當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)中最熱門的詞匯。它是指通過改變細(xì)胞基因使其為光所操控的技術(shù)，即人們?cè)诓痪玫膶砜上耖_關(guān)臺(tái)燈一樣開關(guān)大腦。

這個(gè)學(xué)科的誕生使神經(jīng)科學(xué)家獲得了前所未有的成就。其中兩位發(fā)明者——美國(guó)斯坦福大學(xué)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所卡爾·戴瑟羅斯教授與馬薩諸塞州科技所博士波伊登，獲得生命科學(xué)領(lǐng)域突破獎(jiǎng)。該技術(shù)可遠(yuǎn)程操控電路，其中一例就是讓一只老鼠在按下開關(guān)后跑圈。它能在老鼠探索不同環(huán)境時(shí)，顯示和改變其記憶。這項(xiàng)研究類型使研究人員發(fā)現(xiàn)，在特定的神經(jīng)回路和認(rèn)知行為的多個(gè)方面之間可建立因果聯(lián)系。

光遺傳學(xué)通常指對(duì)神經(jīng)元的控制。研究人員在細(xì)胞中插入一光感蛋白基因，接著細(xì)胞表面產(chǎn)生出這種蛋白。當(dāng)細(xì)胞接觸到光時(shí)，通道打開，帶電粒子沖入細(xì)胞時(shí)，它使細(xì)胞“燃燒”到“頂峰”，向其他細(xì)胞發(fā)送電信號(hào)。常用的蛋白質(zhì)是“光敏感通道蛋白”。人們最初在海藻里發(fā)現(xiàn)這種蛋白，但隨后他們又在埃及鹽湖中發(fā)現(xiàn)了另一種蛋白質(zhì)。而一種稱為非有利離子（氯離子）進(jìn)入細(xì)胞中，它會(huì)阻止燃燒。因此研究人員利用這兩種動(dòng)物蛋白，通過光作用來開關(guān)其神經(jīng)。通過光纖電纜即可實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)，因此研究人員可通過移動(dòng)的動(dòng)物來控制神經(jīng)元，并觀察其移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的影響。

通過不同形式的基因控制傳遞基因已成為可能。不同的基因在不同類型的細(xì)胞中打開或傳遞，因此在特定的伴隨基因順序中，催化劑在特定的細(xì)胞類型中表現(xiàn)活躍，因此能確保光蛋白在預(yù)定目標(biāo)中產(chǎn)生。一旦克服了相關(guān)技術(shù)的各種難題，研究人員確信，他們就將成功地與單個(gè)神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)對(duì)話，甚至可與清醒的、功能正常的大腦對(duì)話，這些都屬于史無前例。

這一發(fā)明說來話長(zhǎng)。美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家和斯坦福大學(xué)精神實(shí)習(xí)科醫(yī)生戴瑟羅斯與波伊登共同研發(fā)了最初的基于光敏感通道蛋白的光感制動(dòng)細(xì)胞，這些成果使其獲得突破獎(jiǎng)。這項(xiàng)新成果集中克服了現(xiàn)存方法的局限性。這種主要類型基因插入指示器通常用于全光生物裝置，鈣指示器表明在神經(jīng)元燃燒時(shí)，細(xì)胞中鈣通道的打開使鈣含量增大。指示器使用這種方法就能改變鈣敏感蛋白，這與釋放光的熒光蛋白相互關(guān)聯(lián)。帝國(guó)理工大學(xué)光遺傳學(xué)和電路神經(jīng)科學(xué)家托馬斯·諾普菲爾認(rèn)為，鈣發(fā)出的信號(hào)非常緩慢，只持續(xù)一秒左右，而大腦蛋白的發(fā)出速度稍快。在神經(jīng)元不燃燒的情況下鈣含量仍可改變，而不能使神經(jīng)元燃燒則不會(huì)改變鈣含量。

如何觀察和刺激大腦細(xì)胞是另一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單光子顯微鏡的滲透深度不夠，對(duì)人體內(nèi)組織吸收和散布光子的成像較差。雙光子顯微鏡使用近紅外線，從而克服了這些問題。較長(zhǎng)的波長(zhǎng)光線滲透人體內(nèi)組織，但由于光子能量小，兩者都必須撞擊一個(gè)蛋白，使其活躍起來。它由此得名。這樣的優(yōu)點(diǎn)就是只有在光束集中的細(xì)小蛋白質(zhì)上才可刺激。這也意味著，當(dāng)試圖激發(fā)單個(gè)神經(jīng)元時(shí)，只有少數(shù)通道能被激活，但這并不足以觸發(fā)峰值。

如今，該領(lǐng)域主要集中在尋找不重疊波長(zhǎng)的蛋白質(zhì)上。例如，哈佛大學(xué)生物物理學(xué)家亞當(dāng)·科恩與其團(tuán)隊(duì)所呈現(xiàn)的成就與麻省理工大學(xué)波伊登團(tuán)隊(duì)相合作，創(chuàng)造出能夠釋放近紅外線電壓指示藍(lán)波，隨之產(chǎn)生光敏感通道蛋白。該團(tuán)隊(duì)對(duì)活老鼠使用了名為QuasAr 的指示器，當(dāng)用紅光監(jiān)控時(shí)它能激發(fā)藍(lán)光的神經(jīng)元。

與過去的成果相比，該項(xiàng)技術(shù)是顛覆性的進(jìn)步，它意味著能鎖定功能集合體，實(shí)現(xiàn)操縱生物目標(biāo)，最終能幫助定義大腦，成為行為產(chǎn)生的神經(jīng)指令。一旦克服了上述挑戰(zhàn)，光遺傳學(xué)即可在實(shí)驗(yàn)室隨意控制動(dòng)物走動(dòng)的同時(shí)，也能準(zhǔn)確地監(jiān)控單一神經(jīng)元或大量神經(jīng)元發(fā)出的觸碰，這將改變世界神經(jīng)科學(xué)。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.com