新闻回顾：2010年12月23日，《Nature》杂志推出2010年年度回顾专刊，其中以特别专题的形式报道了由其子刊《Nature Methods》评选出的2010年度研究方法——光遗传学（optogenetics）。2011年2月1日，美国《大众机械》杂志以“10 Tech concepts you need to know for 2011”为题介绍了包括全同态加密、无线空白电视信号频段、飞轮储能、光遗传学等在内的十组新科技名词及其近况。文章指出，光遗传学技术可以帮助科学家在体研究特定组织细胞，如某类神经元细胞的功能，在此基础上，可进一步分析病理生理情况下这些细胞的生物学功能的变化，并可通过感光刺激影响调节特定神经元细胞的功能。
遗传学概念的提出
在光遗传学技术获得应用之前，人们通常采用电刺激来进行神经生物学的相关研究，但是其最大的缺点就是无法对神经元进行精确定位，所得出的研究结果往往缺乏特异性。随着基因工程技术的发展，科学家开始利用化学药物联合转基因技术来精确定位特定的神经元并进行相关研究，尽管解决了特异性问题，但是化学刺激的方法在作用时间上仍然无法精确调控。受微生物视蛋白能够接收光刺激的启发，光遗传学技术被开发用于神经生物学的研究。
光遗传学技术最先是由斯坦福大学的研究人员用于神经生物学实验研究的，是一种通过使用光学技术和遗传学技术结合来实现控制细胞行为的方法，他们将这项技术称之为Optogenetics（optical stimulation plus genetic engineering光刺激基因工程/光遗传学)。该技术的关键是：先给动物的某种特定细胞转入一种特殊基因，这种基因表达产物能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，再利用不同颜色的激光照射来激活或者抑制细胞的功能。
视蛋白光学门控离子通道（light-gated ion channels），如视紫红质通道蛋白2（channel rhodopsin-2，ChR2）和嗜盐菌紫质（halrohodopsin）是常用的光刺激接收元件。科学家可以分别利用蓝光和红光来激活（去极化）或抑制（超极化）一系列的经过遗传改造的神经元细胞。早在2007年，麻省理工学院的研究人员就首次用嗜盐菌紫质“关闭”了神经元细胞的功能。不过，他们并不满足于嗜盐菌紫质现有的电流大小和恢复时间，于是又开始到其他的生态系统中寻找新的视蛋白。现在，Chow等人已经报道了几个新的视蛋白分子，比如在2010年发表的论文中报道的可以作为神经细胞开关的光门控质子泵等。
使用这些光遗传学工具，能够激活清醒哺乳动物的单一神经元，并直接演示神经元激活表现出的行为结果。这种新技术可以推广到几乎所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉、视觉、触觉、听觉细胞等。这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发，即使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位来研究/调控某一类型细胞的功能。
#p#副标题#e#
光遗传学的研究方法和特点
光遗传学技术的运用包括四个步骤：
第一，找寻合适的光敏蛋白。蛋白可以是具有天然的光敏性，也可以是经过化学修饰而具有光敏性；
第二，遗传信息传递。通过转染、病毒转导、转基因动物系的建立等方式将光敏蛋白的遗传信息传递给目标细胞。
第三，可控性演示。通过从时间和空间上控制演示光线的特定性，实现对细胞活动的精确演示。
第四，读取研究结果。可采用电极通过检测细胞膜内外电压来测量光敏蛋白的荧光效果变化，并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞的读出值。
最后，通过行为测试来评估调整细胞活动对整个动物的影响。
目前，科学家已找到很多可用于控制细胞行为的光敏蛋白并用其发展出具备各种功能的多样性检测工具，为光遗传学的遗传技术部分的实现提供了很好的先决条件。
Chow等对古细菌、细菌、植物和真菌的视蛋白新性质进行了筛选，发现了神经控制的一个全新机制：光驱动质子泵。虽然质子原本并不是被神经系统用作载荷子，但来自苏打盐红菌的archaerhodopsin-3光驱动质子泵，能响应于光照来调控强大的神经沉默作用；来自油菜黑茎病真菌的Mac质子泵能够在蓝光照射下启动神经沉默。将这些光驱动质子泵通过转基因技术转入特定的神经元，可利用光信号来关闭神经回路，以研究神经回路在行为和病理中的作用。
与传统的视蛋白相比，上述两种光驱动质子泵具有三点明显的优势，一是能形成更大的电流；二是能自我恢复；三是具有不同的颜色偏好性（Arch蛋白对黄色光敏感，Mac蛋白对蓝色光敏感）。Mac蛋白在蓝光中能关闭神经元，在黄光中则不能。在一种细胞中表达Mac蛋白而在另一细胞中表达对黄光敏感的Arch蛋白，这样就能利用不同颜色的光线来针对性地抑制相邻的神经元细胞，如已移至脑部其他区域的前额叶皮层神经元。
德国柏林洪堡大学的研究人员构建了一个新型的ChR2蛋白——ChETA，这种蛋白最引人注目的特点之一就是它能以40Hz的频率（又名γ振荡）刺激神经元细胞，这是ChR2蛋白做不到的。研究人员发现，高频振荡对于大脑功能来说可能更为重要，研究人员在快速放电大脑皮质小白蛋白中间神经元细胞（fast-spiking cortical parvalbumin interneurons）上表达ChETA蛋白，结果发现ChETA蛋白能够增强细胞对广泛频率范围2毫秒光波刺激信号的反应性。
#p#副标题#e#
光控蛋白在特定神经细胞的表达一般通过病毒载体得以实现，目前常用的病毒载体主要是腺病毒和慢病毒。斯坦福大学生物工程系的Zhang F等在2010年报道，他们成功利用慢病毒载体在体内将微生物视蛋白基因导入小鼠深部脑组织神经元内。基于他们的实验方法，从病毒载体的构建，到最终的功能研究仅需要4周〜5周的时间。上述基因导入方法，使得人们可以非常轻松地研究在各种生理和病理情况下神经环路的动态改变。
而在光学技术部分，各种光传导技术特别是显微技术的发展，使得对生物研究的演示（不论是其体内还是体外）的控制程度达到了前所未有的水平。更重要的是，在神经元细胞中表达这些视蛋白并不会影响胞内的pH值，因为神经元细胞具有自我限制机制，能够防止细胞因为质子进出细胞流动幅度过大而出现电压不稳的情况。
光遗传学技术在神经生物学研究中的应用进展
线虫是人们最早应用光遗传学技术开展神经生物学研究的模式生物。德国马克斯-普朗克生物物理研究所的Nagel G等早在2005年就将绿色莱茵衣藻来源的ChR2导入线虫“神经元”，在体观察光线刺激对线虫运动行为的影响。2年之后，zhang F等在《nature》报道称，同时导入ChR2和NpHR，在两种波长光源的刺激下，线虫体壁肌组织会呈双向收缩。这一研究发现为后来多色光遗传学技术的发展及数控微探测装置的开发奠定了基础。
果蝇和斑马鱼是另外两个常用的模式生物。如，将ChR2导入特定的“神经元”，科学家可以在受体和神经递质水平分析果蝇的伤害反应和对引发食欲/厌恶的气味的学习能力，也可以“代偿”光学感受器的基因突变。
在小鼠体内，通过导入感光基因并植入光纤，人们可以研究特定神经回路，如杏仁核区域神经回路对小鼠情绪行为的作用/影响。杏仁核是大脑中应对恐惧、侵略等基本情绪的核心部位，也是啮齿类动物控制焦虑的部分。光控“关闭”这一神经回路会导致这些本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始勇敢地探索周围的环境。在后续实验中，研究人员将光束照射的范围扩大了一些，激活了小鼠大脑杏仁核区域中更多的神经回路。结果发现，之前的实验让小鼠变得勇敢的效果消失了，小鼠仍然处于胆小、精神紧张的状态。这意味着，激活多个神经回路并没有对动物的行为产生影响，这凸显出瞄准大脑中单个回路的重要性，而目前缺乏针对性并且常常会产生副作用的药物治疗也可能在某种程度上彼此相克。这说明未来也许可以通过调控神经元，来治疗包括焦虑症和帕金森氏症在内的一系列神经紊乱疾病。
#p#副标题#e#
此外，以光遗传学技术为基础，还可开发一些新的研究工具/系统。结合这些新的工具，研究人员可以进一步分析神经元细胞相互之间是如何形成功能的，以及通过控制着神经元细胞内部或者之间电信号的开关，达到神经修复的作用。比如今年哈佛大学的一个研究组制作了一个可以操控线虫的计算机系统----通过激光刺激培养皿中自由游动的线虫的单个神经元，可以让它们开始或停止游动，给它们被抚摸的感觉，甚至可以促使它们产卵。具体而言就是通过瞄准精度高达30微米的激光束，来激活或抑制单个神经细胞的活动。他们将显微镜放在一个专门定做的试验台上，来跟踪线虫在培养皿里的活动，同时还编写了一个程序，通过分析显微镜中的图像来锁定目标神经细胞的位置，然后瞄准细胞，发射激光束。除此之外，还有其他研究小组用光遗传学技术控制固定不动的线虫的单个神经元。
光遗传技术的应用前景
由于光遗传学领域的研究已经积累了一些经验，世界各地的实验室都在利用这项技术来深入了解在病理生理情况下特定神经元、局部神经组织乃至整个神经系统是如何工作的。在一些人类常见的疾病，如慢性疼痛、帕金森氏症和视网膜变性等，光遗传学技术都有非常广阔的应用前景。那么，光遗传学会应用于人类疾病的治疗吗？
答案是肯定的，但目前还为时尚早。
尽管光遗传学技术直接应用于人体疾病的治疗还尚需时日，但是一些基于光遗传学技术所获得的基础研究成果却可以指导药物的研发和临床实践。斯坦福大学神经病专家Amit Etkin正在努力促进有关啮齿类动物焦虑症研究成果的转化，以利用现有的手段改善人类相关疾病的治疗。他采用的是经颅磁刺激技术，希望能够像激活小鼠大脑杏仁核区域的神经回路从而减轻它们的焦虑症状那样来激活人脑中类似的回路，虽然这种技术不如光遗传学技术有针对性，但却具有非侵入性的优点。而基于在啮齿类动物身上进行光遗传学研究所获得的一项关于脑深部刺激如何影响帕金森氏症症状的新理论，采用刺激大脑表层或许可以替代脑部植入电极，从而避免颅内感染和危及生命的出血风险。
在灵长类动物身上开展一些研究为光遗传学技术最终在人体的应用提供了一定的借鉴。2009年4月，麻省理工学院的Han X等成功利用慢病毒载体在猕猴大脑皮质神经元中导入了ChR2基因，并证实其可在特定神经元长期稳定表达。感染慢病毒的猕猴在实验期间未出现与病毒感染相关的“不良事件”。瑞士巴塞尔Friedrich Miescher生物医学研究院的Busskamp V等证实，将感光蛋白基因eNpHR2.0导入离体的人色素性视网膜炎神经组织视网膜非感光细胞，可以重建正常的视觉图像传输及视觉感受、成像、光导行为等。
除了用于基础研究，光遗传学技术在开发新设备用以治疗创伤性脑损伤和神经修复方面将大有潜力。美国国防部高级研究计划局甚至宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的计划。基于光遗传学技术，外置感受器可接收到的信号转变为光刺激，释放给大脑特定的神经元，模拟正常人体外周感受器的神经传导，这可以让伤残人士“真切”地“感受”外部世界。
#p#副标题#e#
展望
光遗传学技术是近年来神经生物学研究的重要突破，利用该技术科学家可以“精确”分析特定神经元和神经回路在行为、情绪、认知等神经生物学调控中的作用。利用该技术开展的基础研究，将对人类脑功能的认识产生深远的影响。如果病毒载体基因导入在人体被证实是安全的，光遗传学技术将来有可能被用于多种神经/精神疾病，如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓损伤、精神分裂症等的治疗。
光遗传学技术还可以与其他神经生物学研究工具有机结合，如功能性磁共振造影（fMRI），提高研究结果的准确性。fMRI虽然能侦测各种刺激下神经线路的活动，但严格说来，fMRI只能显示脑部不同区域血氧浓度的改变，而这些改变不过是神经活性的一个指标。Karl Deisseroth的研究组在2010年证实，光刺激引发的局部神经元活化足以诱发在fMRI侦测到的复杂讯号，并能准确、完整记录到执行功能的神经线路，这是过去使用电极或药物办不到的。
（作者：王玉成）