什麼是光遺傳學，對光遺傳學技術的探討

什麼是光遺傳學？光遺傳學（optogenetic）技術是指將光學技術與遺傳學技術相結合，在動物體內針對神經係統開展研究的技術，比如說可以結合遺傳工程與光來操作個彆神經細胞的活性，發現腦部如何產生γ波（gamma oscillations），並為它們在調控腦部功能中的角色提供新證據，這將有助於發展一係列腦相關失調的新療法。

近期《Nature Methods》總結了光遺傳學技術的一些新工具，希望能夠通過這些新方法研究神經元細胞相互之間是如何形成功能的，以及通過控製著神經元細胞內部或者之間電信號的開關，達到神經修複的作用。

光遺傳學是由斯坦福大學的研究人員開始用於研究小鼠大腦的，他們將這項技術稱之為Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學)，這個技術的關鍵是：科學家們必須事前向小白鼠體內注射一種植物基因，這種基因能夠對不同顏色光的刺激作出敏感的反應，還能通過自生特性感染類似的細胞。

2009年，研究人員就利用這種光控技術選擇並打開了某種生物的一類細胞。這也幫助科學家解答一個長期存在的難題，即關於脊髓中某類神經元的特殊功能的研究。他們在清醒的斑馬魚幼蟲的這些細胞中靶向插入光敏開關，結果發現這些細胞產生了突發的遊泳行為—幼蟲典型的周期性擺尾。

使用這些光遺傳學（optogenetic）工具，能夠激活清醒哺乳動物的單一神經元，並直接演示神經元激活表現出的行為結果。該光遺傳學方法使得研究人員能夠獲得關於脊髓回路的一些重要信息。 

研究人員介紹說，該研究使用的新技術可以推廣到所有類型的神經細胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細胞等。光遺傳學開辟了一個新的讓人激動的研究領域，可以挑選出一種類型的細胞然後發現其功能。

在光遺傳學試驗中，研究人員能夠在感興趣的能調控電信號的靶細胞上表達來自視蛋白的光學門控離子通道（light-gated ion channels），比如視紫紅質通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌紫質（halorhodopsin）一類的視蛋白都已經成為了神經生物學實驗室中的常用蛋白。科學家可以分彆利用藍光和紅光來激活（去極化）或抑製（超極化）一係列的經過遺傳改造的神經元細胞。但是和其它任何一種生物研究工具一樣，這些視蛋白也不是十全十美，因此科學家又開始尋找新一代的光遺傳學工具。

來自在麻省理工學院的研究人員在07年就**次用嗜鹽菌紫質關閉了神經元細胞。不過，他們並不滿足於嗜鹽菌紫質現有的電流大小和恢複時間，於是又開始到其它的生態係統中尋找新視蛋白。現在，這一小組已經報道了幾個新的視蛋白分子，比如Chow等人在2010年發表的論文中報道的可以作為神經細胞開關的光門控質子泵等。

他們對古**、**、植物和**的視蛋白新性質進行了篩選，發現了神經控製的一個全新機製：光驅動質子泵輸。雖然質子原本並不是被神經係統用作載荷子，但來自Halorubrum sodomense的archaerhodopsin-3的光驅動質子泵輸，能響應於光照來調控強大的神經沉默作用。來自**Leptosphaeria maculans的一個質子泵能夠在藍光照射下啟動神經沉默。這些試劑的使用將有助於用光來關閉神經回路，作為研究神經回路在行為和病理中所起作用的一種工具。

研究人員注意到了這兩種新的質子泵：來自蘇打鹽紅菌（Halorubrum sodomense，一種古**）的Arch蛋白和來自油菜黑脛病**（Leptosphaeria maculans）的Mac蛋白。這兩種分子相比傳統的視蛋白具有三點明顯的優勢，一是能形成更大的電流；二是能自我恢複；三是具有不同的顏色偏好性（Arch蛋白對黃色光敏感，Mac蛋白對藍色光敏感）。這樣就能利用不同顏色的光線來針對性地抑製相鄰的神經元細胞了。Boyden等人也的確利用嗜鹽菌紫質和Mac蛋白做到了這一點。更重要的是，在神經元細胞中表達這些視蛋白並不會影響胞內的pH值，因為神經元細胞具有自我限製機製，能夠防止細胞因為質子進出細胞流動幅度過大而出現電壓不穩的情況出現。

新發現蛋白中的Mac蛋白在藍光中能關閉神經元，在黃光中則不能。在一種細胞中表達Mac蛋白而在另一細胞中表達對黃光敏感的抑製蛋白，這樣就能分彆關閉同源的兩組神經元，如已移至腦部其他區域的前額葉皮層神經元。

目前這群科學家正與Eos公司合作，該公司旨在用光遺傳學**失明。另一家新公司希望能用這種技術**脊髓損傷。這些努力能否獲得成功，還取決於將基因和光**有效地輸入神經元的技能如何，這並非一日之功。

另外來自德國柏林洪堡大學的研究人員構建了一個新型的ChR2蛋白——ChETA，這種蛋白*引人注目的特點之一就是它能以40 Hz的頻率（又名γ振蕩）刺激神經元細胞，這是ChR2蛋白做不到的。研究人員發現，高頻振蕩對於大腦功能來說可能更為重要，ChETA蛋白來的正是時候。他們在快速放電大腦皮質小白蛋白中間神經元細胞（fast-spiking cortical parvalbumin interneurons）上表達ChETA蛋白，結果發現ChETA蛋白能夠增強細胞對廣泛頻率範圍2毫秒光波刺激信號的反應性。

這種新工具可能會促進神經****領域的發展，如果將這個概念延展到酶學領域，那麼是否能夠通過光線控製基因表達呢？如果真是這樣，那麼就能將光遺傳學技術拓展到細胞生物學或者細胞發育等研究領域了。

使用這些光遺傳學工具，能夠激活清醒哺乳動物的單一神經元，並直接演示神經元激活表現出的行為結果。光遺傳學方法使得研究人員能夠獲得關於脊髓回路的一些重要信息。光遺傳學研究使用的新技術可以推廣到所有類型的神經細胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細胞等。光遺傳學開辟了一個新的讓人激動的研究領域，可以挑選出一種類型的細胞然後發現其功能。在未來幾年裡光遺傳學工具的發展還將繼續下去，而這些工具也必將被應用到更為廣闊的領域，比如心臟細胞研究領域等。

上文提到的麻省理工的研究人員已經先行一步，他們與Eos公司合作，希望能用光遺傳學**失明，他們認為儘管光控技術還冇有像用於蠅、鼠、猴那樣應用於人腦，但光遺傳學必將帶給醫學突破性進展。如果光遺傳學能檢定出神經類和精神類**的紊亂腦回路，就可用**或更可靠技術如深部腦刺激術，來**這些細胞。