光遗传学:给神经细胞装一个“光的开关”
大脑约有 900 亿个神经细胞,不同功能的细胞常常混在一起,过去的方法难以证明“某一类细胞直接导致了某种情绪或行为”。光遗传学提供了一把精确的开关:把来自绿藻的感光蛋白基因导入特定神经细胞后,用光就能按需开启或关闭这些细胞的活动。
起点是单细胞绿藻衣藻(Chlamydomonas)的趋光性。1990 年代初,黑格曼发现衣藻感光反应仅需约 0.5 毫秒,远快于人类眼睛的 10 毫秒以上,由此推测“一个蛋白同时负责感光与离子通道”。这一设想最初并不被看好。转机出现在世纪之交,黑格曼从衣藻基因中找到可疑序列,并请纳格尔用蛙卵细胞表达验证。
2002 与 2003 年,两人先后报告 channelrhodopsin-1(光门控质子通道)和 channelrhodopsin-2(光门控阳离子通道),后者在 0.2 毫秒内即可开启。2005 年,戴塞罗特将 ChR2 基因导入大鼠神经元,证明神经细胞可被蓝光即时激活;2006 年这一方法被命名为 optogenetics(光遗传学);2007 年他在活体小鼠运动皮层实现光控胡须运动,2012 年又与利根川进合作激活了小鼠的恐惧记忆痕迹(engram)。
- 1992黑格曼报告衣藻光感受器电流
- 2002纳格尔、黑格曼报告 channelrhodopsin-1(Science)
- 2003报告 channelrhodopsin-2,光刺激下 0.2 毫秒开启(PNAS)
- 2005戴塞罗特将 ChR2 导入神经元,实现毫秒级光控
- 2006方法命名“光遗传学”
- 2007在活体小鼠大脑实现光控行为
- 2012激活小鼠恐惧记忆的神经痕迹
光遗传学把“观察大脑”推进到“按需操作大脑”。它已用于定位疼痛、社交、口渴、进食、奖赏、注意力等行为的神经环路,并推进对抑郁、焦虑、精神分裂、阿尔茨海默病、帕金森病的理解。临床上,已有试验尝试用它让视网膜色素变性致盲者恢复部分视力,并探索改良人工耳蜗。对普通人而言,这项成果的意义不在于“读心”,而在于为精神与神经疾病找到更精确的研究和治疗工具。