二十三、光遗传学

在电影《黑衣人》中，特工处理完外星人出没的现场之后都会掏出一个发光棒，让围观群众看到发光棒强光一闪，他们的短时记忆就会被抹去，不再记得见过外星生物的经历。 这不禁让我们发问，光真的能控制人类的大脑吗？ 随着科学技术的发展与进步，其答案是肯定的，也就是我们现在所说的光遗传学。 光遗传学，是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开某种生物的一类细胞。 它是结合遗传学与光学来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波，并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，从而为脑功能研究提供一种新的有力工具。 简单地说，光遗传学就是用遗传学方法在大脑中安装一个光控开关，然后用特定的光来控制光控开关，这个开关可以安装在大脑的不同部位，负责不同的功能。

斯坦福大学的科学家们向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激做出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。 随后他们使用光来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森病的小白鼠重新站立起来，甚至重新走路。 有研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的某些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为——幼虫典型的周期性摆尾。 此外，科学家还能通过黄光使正在蠕动的蠕虫停止蠕动，用蓝光控制果蝇的逃逸行为。 这些研究结果为我们对脑神经元与行为、功能之间的关系提供了更深刻的认识。

2010年《自然》杂志将光遗传学列为“年度最受关注科技成果技术”。 随后光遗传学技术的应用得到了飞速发展，其应用研究领域涵盖多个经典实验动物种系（果蝇、线虫、小鼠、大鼠、绒猴以及食蟹猴等），并涉及神经科学研究的多个方面。 与传统的神经科学研究技术，如电刺激或化学刺激相比，光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点，这克服了传统神经科学技术无法精确控制时间及特定神经元活动等缺点，而能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激，为神经科学研究领域提供了革命性的新手段。

目前，科学家们运用光遗传学这一新的无创技术，对脑功能紊乱相关疾病，如抑郁症、帕金森病、焦虑以及精神分裂症等，有了更多深入的研究，也对这些疾病的发病机制进行了更为深刻的探索和认识。 最近，来自哥伦比亚大学的研究者们通过对小鼠进行光遗传学改造，使其在储存记忆的时候发射黄色的荧光，而在重新获取记忆的时候发射红色的荧光。 再给予接受了遗传改造的野生型小鼠与阿尔兹海默病小鼠以柠檬气味的刺激，之后再施加电刺激，从而使这两项记忆形成关联。 一周之后，研究者再次给这些小鼠柠檬气味的刺激。 结果显示，野生型小鼠能够同时出现黄色与红色的荧光，而且出现了恐惧的表现，这说明其在形成记忆的同时也发生了记忆的重新获取。 然而，阿尔兹海默病小鼠大脑发光的区域则明显不同，说明它们的大脑在记忆重新获取的过程中发生了紊乱。 之后，研究者们利用一束蓝光刺激小鼠的大脑，从而能够再次激活小鼠对柠檬气味以及电刺激的记忆，小鼠在再次闻到上述气味的时候出现了战栗的表现。 研究者们提出通过光遗传学的手段能够恢复患阿尔兹海默病小鼠的记忆，这一结果或许能为阿尔兹海默病的研究与治疗开拓新的视野。(https://www.daowen.com)

总而言之，光遗传学研究这一新技术可以推广运用到所有类型的神经细胞，如大脑的嗅觉、视觉、触觉、听觉细胞等。 研究者们可以挑选出任一种类型的细胞然后发现其功能，可以说光遗传学成功开辟了一个新的具有开创意义的研究领域，必将使神经科学研究领域取得飞速进展。 然而光遗传学技术前期的基因工程技术非常复杂，构建载体病毒和培育实验动物品系等都是有待解决的难题，这使得光遗传学的应用目前只能局限于某些特定品系的大鼠和小鼠的研究中，恒河猴、人类等灵长类动物因为繁育周期长、受精卵难以基因操作、实验品系无法构建以及伦理道德等一系列原因而无法开展。 因此，光遗传学技术在人类大脑的科学研究及运用上仍然有很长的路要走。

（盛 伟）