光遗传技术原理

光遗传技术原理

光遗传学就是用特定的光作为控制信号，用遗传学的方法在大脑中安置一种受光控而有开关作用的分子。当光一打开，大脑中某个脑区的神经活动就被启动，大脑的某项功能就开始运作。这就像我们家里的遥控器，我们可以用它发出的红外光来控制电视机的打开和关闭。当然，这样的开关分子可以安置在大脑不同部位、负责不同功能的神经细胞（神经元）里，就像不同的遥控器负责不同的电器一样。

细胞膜上的光敏感通道蛋白

这种光控开关其实就是一种光敏感通道蛋白（channelrhodopsin-2，简称ChR2）。这种蛋白质可以“看到”蓝光，而且当它“看到”蓝光时，其分子形状就发生变化，变成一个可以让离子通过的通道。在神经元的周围有很多带正电的离子，在离子通道打开之际会迅速通过而流进细胞的体内。这些离子就像兴奋剂一样，能够让神经元兴奋起来。

如此一来，光就成了神经元的指挥棒，可以像开关灯泡那样打开或者关闭神经元。通过蓝光激活光感受蛋白并使神经元兴奋，进而就能控制大脑，这就是光遗传学的原理。

给大脑装上光控开关，这么巧妙的技术是由谁发明的呢？(https://www.daowen.com)

当然是我们的大自然了。其实在神经元家族中，有一种特殊的细胞可以看到光，而且可以将光信号转换成电信号，并将信息传递到大脑。它就是眼睛里的感光细胞（也是一种神经元），在这种细胞里含有一种能够感光的蛋白质，叫做视紫红质（rhodopsin）。正是通过视紫红质这种可以感光的分子，感光细胞得以受光控制。

感光细胞和视紫红质（图片来源：Puthussery，Venkataramani，Gayet-Primo et al.，2013）

但是，我们大脑里的神经元并没有视紫红质的表达。它们看不见光，当然不会受到光的控制。几百年来，科学家们苦苦寻求控制脑内神经元的方法。虽然他们已经可以通过电流刺激来使神经元兴奋，或者通过一些药物来使神经元失活，但是这些方法都有很大局限性，不适于实现对特定种类神经元的精准操控。

直到有一天，美国的戴瑟罗斯（K.Deisseroth）教授将眼睛看东西的原理应用到了大脑内的神经元里。他让光敏感的通道蛋白表达在小鼠大脑的神经元上，这就相当于给大脑的神经元装上了“眼睛”。然后，他通过植入大脑内部的光导纤维，给特定脑区的神经元导入激光，从而实现了对特定脑区的光刺激，于是就可以用光来控制大脑里神经元的活动了。

他到底是怎么做的呢？笔者带你们走进实验室，近距离观察一下这项高精尖的技术吧。