什么是光遺傳學(xué)？光遺傳學(xué)（optogenetic）技術(shù)是指將光學(xué)技術(shù)與遺傳學(xué)技術(shù)相結(jié)合，在動(dòng)物體內(nèi)針對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)開展研究的技術(shù)，比如說可以結(jié)合遺傳工程與光來操作個(gè)別神經(jīng)細(xì)胞的活性，發(fā)現(xiàn)腦部如何產(chǎn)生γ波（gamma oscillations），并為它們?cè)谡{(diào)控腦部功能中的角色提供新證據(jù)，這將有助于發(fā)展一系列腦相關(guān)失調(diào)的新療法。

近期《Nature Methods》總結(jié)了光遺傳學(xué)技術(shù)的一些新工具，希望能夠通過這些新方法研究神經(jīng)元細(xì)胞相互之間是如何形成功能的，以及通過控制著神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)部或者之間電信號(hào)的開關(guān)，達(dá)到神經(jīng)修復(fù)的作用。

光遺傳學(xué)是由斯坦福大學(xué)的研究人員開始用于研究小鼠大腦的，他們將這項(xiàng)技術(shù)稱之為Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學(xué))，這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵是：科學(xué)家們必須事前向小白鼠體內(nèi)注射一種植物基因，這種基因能夠?qū)Σ煌伾獾拇碳ぷ鞒雒舾械姆磻?yīng)，還能通過自生特性感染類似的細(xì)胞。

2009年，研究人員就利用這種光控技術(shù)選擇并打開了某種生物的一類細(xì)胞。這也幫助科學(xué)家解答一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題，即關(guān)于脊髓中某類神經(jīng)元的特殊功能的研究。他們?cè)谇逍训陌唏R魚幼蟲的這些細(xì)胞中靶向插入光敏開關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞產(chǎn)生了突發(fā)的游泳行為—幼蟲典型的周期性擺尾。

使用這些光遺傳學(xué)（optogenetic）工具，能夠激活清醒哺乳動(dòng)物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果。該光遺傳學(xué)方法使得研究人員能夠獲得關(guān)于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(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細(xì)胞等。光遺傳學(xué)開辟了一個(gè)新的讓人激動(dòng)的研究領(lǐng)域，可以挑選出一種類型的細(xì)胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。

在光遺傳學(xué)試驗(yàn)中，研究人員能夠在感興趣的能調(diào)控電信號(hào)的靶細(xì)胞上表達(dá)來自視蛋白的光學(xué)門控離子通道（light-gated ion channels），比如視紫紅質(zhì)通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌紫質(zhì)（halorhodopsin）一類的視蛋白都已經(jīng)成為了神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的常用蛋白。科學(xué)家可以分別利用藍(lán)光和紅光來激活（去極化）或抑制（超極化）一系列的經(jīng)過遺傳改造的神經(jīng)元細(xì)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(xué)家又開始尋找新一代的光遺傳學(xué)工具。

來自在麻省理工學(xué)院的研究人員在07年就**次用嗜鹽菌紫質(zhì)關(guān)閉了神經(jīng)元細(xì)胞。不過，他們并不滿足于嗜鹽菌紫質(zhì)現(xiàn)有的電流大小和恢復(fù)時(shí)間，于是又開始到其它的生態(tài)系統(tǒng)中尋找新視蛋白?，F(xiàn)在，這一小組已經(jīng)報(bào)道了幾個(gè)新的視蛋白分子，比如Chow等人在2010年發(fā)表的論文中報(bào)道的可以作為神經(jīng)細(xì)胞開關(guān)的光門控質(zhì)子泵等。

他們對(duì)古**、**、植物和**的視蛋白新性質(zhì)進(jìn)行了篩選，發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)控制的一個(gè)全新機(jī)制：光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵輸。雖然質(zhì)子原本并不是被神經(jīng)系統(tǒng)用作載荷子，但來自Halorubrum sodomense的archaerhodopsin-3的光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵輸，能響應(yīng)于光照來調(diào)控強(qiáng)大的神經(jīng)沉默作用。來自**Leptosphaeria maculans的一個(gè)質(zhì)子泵能夠在藍(lán)光照射下啟動(dòng)神經(jīng)沉默。這些試劑的使用將有助于用光來關(guān)閉神經(jīng)回路，作為研究神經(jīng)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(zhì)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(tǒng)的視蛋白具有三點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)，一是能形成更大的電流；二是能自我恢復(fù)；三是具有不同的顏色偏好性（Arch蛋白對(duì)黃色光敏感，Mac蛋白對(duì)藍(lán)色光敏感）。這樣就能利用不同顏色的光線來針對(duì)性地抑制相鄰的神經(jīng)元細(xì)胞了。Boyden等人也的確利用嗜鹽菌紫質(zhì)和Mac蛋白做到了這一點(diǎn)。更重要的是，在神經(jīng)元細(xì)胞中表達(dá)這些視蛋白并不會(huì)影響胞內(nèi)的pH值，因?yàn)樯窠?jīng)元細(xì)胞具有自我限制機(jī)制，能夠防止細(xì)胞因?yàn)橘|(zhì)子進(jìn)出細(xì)胞流動(dòng)幅度過大而出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況出現(xiàn)。

新發(fā)現(xiàn)蛋白中的Mac蛋白在藍(lán)光中能關(guān)閉神經(jīng)元，在黃光中則不能。在一種細(xì)胞中表達(dá)Mac蛋白而在另一細(xì)胞中表達(dá)對(duì)黃光敏感的抑制蛋白，這樣就能分別關(guān)閉同源的兩組神經(jīng)元，如已移至腦部其他區(qū)域的前額葉皮層神經(jīng)元。

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

另外來自德國(guó)柏林洪堡大學(xué)的研究人員構(gòu)建了一個(gè)新型的ChR2蛋白——ChETA，這種蛋白*引人注目的特點(diǎn)之一就是它能以40 Hz的頻率（又名γ振蕩）刺激神經(jīng)元細(xì)胞，這是ChR2蛋白做不到的。研究人員發(fā)現(xiàn)，高頻振蕩對(duì)于大腦功能來說可能更為重要，ChETA蛋白來的正是時(shí)候。他們?cè)诳焖俜烹姶竽X皮質(zhì)小白蛋白中間神經(jīng)元細(xì)胞（fast-spiking cortical parvalbumin interneurons）上表達(dá)ChETA蛋白，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ChETA蛋白能夠增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)廣泛頻率范圍2毫秒光波刺激信號(hào)的反應(yīng)性。

這種新工具可能會(huì)促進(jìn)神經(jīng)****領(lǐng)域的發(fā)展，如果將這個(gè)概念延展到酶學(xué)領(lǐng)域，那么是否能夠通過光線控制基因表達(dá)呢？如果真是這樣，那么就能將光遺傳學(xué)技術(shù)拓展到細(xì)胞生物學(xué)或者細(xì)胞發(fā)育等研究領(lǐng)域了。

使用這些光遺傳學(xué)工具，能夠激活清醒哺乳動(dòng)物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果。光遺傳學(xué)方法使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。光遺傳學(xué)研究使用的新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細(xì)胞等。光遺傳學(xué)開辟了一個(gè)新的讓人激動(dòng)的研究領(lǐng)域，可以挑選出一種類型的細(xì)胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。在未來幾年里光遺傳學(xué)工具的發(fā)展還將繼續(xù)下去，而這些工具也必將被應(yīng)用到更為廣闊的領(lǐng)域，比如心臟細(xì)胞研究領(lǐng)域等。

上文提到的麻省理工的研究人員已經(jīng)先行一步，他們與Eos公司合作，希望能用光遺傳學(xué)**失明，他們認(rèn)為盡管光控技術(shù)還沒有像用于蠅、鼠、猴那樣應(yīng)用于人腦，但光遺傳學(xué)必將帶給醫(yī)學(xué)突破性進(jìn)展。如果光遺傳學(xué)能檢定出神經(jīng)類和精神類**的紊亂腦回路，就可用**或更可靠技術(shù)如深部腦刺激術(shù)，來**這些細(xì)胞。