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电影《黑衣人2》剧照 来源:douban.com

  爱是一道光,如此美妙,指引我们想要的未来……

  光真的可以指引我们想要的未来吗?

  神经科学家或许可以。他们一直梦想着能够随意控制特异神经元的活性。现在,光让他们梦想成真了!光遗传学技术实现了特异、快速、直接地改变神经元活性,从而使“光”成了脑细胞乃至动物行为的开关。无数的神经科学难题将以崭新的视角被重新阐述。你准备好迎接时下的最新技术了吗?

小鼠行为“光”说了算

  电影《黑衣人》中,只要闪光笔一闪,目击者便会瞬间失去记忆。现实可能比电影中更神奇:科学家已经能够用特定波长的可见光来准确无误地控制小鼠的特定行为。

  他们给小鼠的脑袋接上光纤,只要蓝光一亮,小鼠立即开始转圈跑,而灯灭的时候小鼠完全正常。斯坦福大学的研究人员们更是利用此技术让熟睡中的小鼠在毫无其他外界刺激的条件下瞬间完全清醒(一秒钟,变清醒!)[1]。

  除此之外,科学家还能够通过蓝光控制果蝇的逃逸行为,用黄光使扭动的蠕虫安静下来,用蓝光控制小鼠心肌细胞收缩节律使之与蓝光频闪同步。(见证奇迹请看视频[3] )如此神奇的本领让《自然》杂志都称赞不已,光遗传学技术荣获2010年“自然技术”年度荣誉[2]。

跨领域合作成就新技术

  光遗传学中的“遗传”两字乍一看很容易让人联想到“豌豆大叔”孟德尔的经典遗传学。然而实际上遗传学和基因学在英文中都是genetics,光遗传学(optogenetics)的全称是“光刺激基因工程”(optical stimulation plus genetic engineering)。它将微生物学、现代遗传(基因)学、神经科学、生物工程科学等各项技术结合起来,实现了对特殊细胞活性的定向控制[4]。这和我们想象中的传统遗传学着实相去甚远。

  那么,光遗传学技术究竟如何实现呢?

  早在上个世纪,微生物科学家就已经发现某些藻类中存在“微生物视蛋白”。这些蛋白就像光控开关一样,能够被特异波长的光(最常见如可见光蓝光、黄光)激活或抑制,使细胞膜离子通道活性发生改变,从而细胞活性亦发生变化。

  科学家将编码相应视蛋白的基因从藻类DNA中分离,并给它加上一个特异启动子(可以理解为开关),然后载入相应的病毒内;再通过脑内定位注射技术将病毒注射入实验动物脑内特定部位、连上光纤[5] ,至此,大功告成,光控开关安装完毕!只等微生物视蛋白在被感染的神经元中特异表达就能见证奇迹了(相关视频请翻墙猛击:[6])。

来源:Scientific American

特异、快速、直接地控制神经元

  光遗传学技术表面看上去只是一项能够改变神经元兴奋性的技术,为何它会被冠以“划时代”的名号并被《自然》杂志予以极高殊荣呢?

  药物注射、电刺激等等也能改变细胞活性。但药物注射的作用多是全身性的,但凡存在药物受体的细胞都会受到药物作用;即使在定位注射等技术手段的辅助之下,注射部位周围细胞也可能受到药物的影响。电刺激亦是如此,很难保证仅仅同一类神经元细胞接受电刺激信号[4]。如果将交错繁杂的神经元比作隐藏着罪犯(目标神经元)的拥挤人群的话,抓贼过程中放电(电刺激)和撒药(药物刺激)都将无可避免地“牵连无辜”。

  与之相反,光遗传学技术的重要突破之一就在于它真正实现同类细胞被精确地刺激:通过给特定的细胞装上开关(特异性启动子),微生物光敏蛋白能够非常精确地在某一类神经元中表达,即使这些神经元同其他神经细胞交织如网,亦能够保证在光照下的准确激活或抑制[5]。

  光遗传学技术几乎使得特定行为和光刺激同步发生。它无需等待血液或其他介质将刺激源运到靶点细胞(实际上,刺激是以光速抵达靶点细胞);亦不存在半衰期等药物代谢特性,一旦光照停止,刺激立即结束。而相对于激素等通过受体调控基因转录表达等间接刺激而言,光遗传学技术使得因果之间的联系更为直观。

神经科学的重新思考

  理论上光遗传学技术可以运用在任何细胞系(可长期连续传代的培养细胞)中,但目前最热门的还是其在神经科学领域的广泛应用。它在技术水平上的巨大突破使得我们能够从全新的角度再次思考与探索近乎整个神经科学领域——所有神经科学的问题,我们都可以再一次提问:究竟是哪种神经元在起作用?

  记忆是如何形成的,又储存在哪里?哪些神经元参与了感知的形成?不同行为表现究竟有哪些神经元参与?在神经科学领域我们似乎从自行车时代步入了汽车时代。驾驶汽车再一次探险这知识的世界,你准备好了吗?

    编辑的话:五颜六色的光改变我们的行为,但并不代表我们的性格是有色彩的。《 乐嘉“性格色彩学”是个山寨货? 》

  参考文献:

  [1]. Rolls, A., et al., Optogenetic disruption of sleep continuity impairs memory consolidation. Proc Natl Acad Sci U S A, 2011. 108(32): p. 13305-10.

  [2]. Nature Methods 2010.. Nature Methods 2010: http://www.nature.com/nmeth/journal/v8/n1/full/nmeth.f.322.html?pagewanted=all

  [3]. Optogenetics.. Optogenetics: http://v.youku.com/v_show/id_XMzAxNDc2NTc2.html

  [4]. Light science: optogenetics.. Light science: optogenetics: http://sciencecalling.com/2011/08/12/light-science-optogenetics/

  [5]. Nowak, V.A., et al., Optogenetics--shining light on neurosurgical conditions. Br J Neurosurg, 2010. 24(6): p. 618-24.

  [6]. Optogenetics: Controlling the brain with light.. Optogenetics: Controlling the brain with light: http://www.youtube.com/watch?v=QA67v4vSg00&feature=player_embedded

 

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channelId 1 1 给大脑装一个“光”控开关吧! 1 爱是一道光,如此美妙,指引我们想要的未来……光真的可以指引我们想要的未来吗?神经科学家们或许已经迈出了第一步。光线一闪,乖乖听话的科幻桥段正在上演。