9.5.1　光遗传技术

光遗传学是结合光学与基因编辑等工程技术的交叉学科，其主要是借助基因工程技术，将外源光敏蛋白的基因靶向导入特定类型的细胞中，使得这些细胞具有响应光刺激的能力，实现对神经元活动的控制。

光遗传技术的实现需要三个步骤：确定合适的光敏蛋白、向神经元导入光敏蛋白、施加适当的光刺激。确定光敏蛋白时，根据研究需要可选择光激活性通道蛋白或光抑制性通道蛋白。目前光遗传学中常用的激活性光敏蛋白是视紫红质通道蛋白-2（channelrhodopsin-2，ChR2），它是一种非选择性阳离子通道蛋白，对波长为472 nm附近的蓝光敏感，自1991年从莱茵衣藻中发现后被许多实验室关注。在接受蓝光刺激后，ChR2可以快速形成光电流，使细胞发生去极化反应，进而引起神经元兴奋。常用的抑制性通道蛋白为盐系菌视紫红质通道蛋白（halorhodopsin，NpHR）。NpHR是一种氯离子通道蛋白，对波长为593 nm左右的黄光敏感，能够在激活状态促使氯离子流入细胞膜，引起神经元超极化，从而抑制神经元活动。

为使光敏蛋白在神经元中表达，需要通过基因载体将光敏蛋白基因靶向导入神经元中，慢病毒载体（lentiviral vector，LVV）和腺相关病毒载体（adenovirus associated virus vector，AVV）是光遗传学中最常用的病毒载体。近年来，随着生物技术的发展，研究者通过优化现有光敏蛋白的动力学参数或人工合成新的光敏蛋白，同时对病毒载体进行不断改造，成功地将蛋白的光敏感性、表达效率和表达的特性提高到了一个新的层次，这使得光遗传学可以快速且特异性地控制神经元的优势得到更好的发挥。

通过施加不同波长的光刺激可以达到激活或抑制的调控效果。由于所使用的光刺激频段在可见光范围内，无法直接从颅外传导至颅内，因此一般会通过植入光纤的方式进行刺激传输。在小鼠实验中，研究人员尝试去除部分颅骨后用氧化锆制成透明的“窗口”，以避免植入电极，在头骨上安放LED发射光线便可以实现刺激，不过这种方式只能刺激到大脑皮层的浅表区域。2018年，日本的一项研究表明，向脑内注射一种纳米颗粒便可以无须植入电极，这种颗粒称为上纳米转换颗粒。刺激时使用容易穿透人体的近红外光进行，而上转换纳米颗粒的特性在于可以在一侧接收到红外光后在另一侧发出蓝光和绿光，这样便可以通过刺激光敏蛋白达到调节神经活动的目的。

基于光遗传学的神经调控，最大优势在于在时间和空间维度上都具有很高的精度，使得神经组织可以在单个神经元尺度上进行人为干预。光遗传学神经调控自2005年被提出以来一直受到广泛关注。2010年，光遗传学被跨学科研究期刊《自然-方法》选为所有科学和工程领域的“年度方法”。然而，光遗传学最大的缺陷在于，必须依赖基因编辑技术修饰神经元，故而光遗传学当前较难直接应用于人体研究。