学习笔记之光遗传学

学习笔记之光遗传学光遗传学方法研究生物大脑光遗传学(optogenetics),即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生Y波(gammaoscillations),并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。概述光遗传学，是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。光遗传学(optogenetics)——结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生Y波(gammaoscillations)，并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。科学研究光影响小白鼠的大脑斯坦福大学的研究人员现在可以使用光来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来，甚至是重新走路。他们把这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)。这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。斑马鱼幼虫细胞中靶向插入光敏开关研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为一幼虫典型的周期性摆尾。这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发，因为哺乳动物也有类似的细胞。此外，这项研究也凸现了新技术的亮点，使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位可以轻松研究某一类型的细胞。人的神经病学疾病研究表明在罹患精神分裂症与其他精神病学与神经病学疾病的患者身上(被扰乱)会出现Y波，光遗传学新工具给予科学家很大的机会来探索这些信号通路的功能。Y振荡反映出大型互连神经元网路的同步活动，以范围在每秒20-80周期的频率发射。这些振荡被认为由一种特殊的抑制细胞(inhibitorycells)称为快闪中间神经元(fast-spikinginterneurons)所控制，但是到目前为止，这一设想并未得到具体的证实。光遗传学为了测定哪些神经元负责驱动这种振荡，研究人员利用一种被称为channelrhodopsin-2(ChR2,第二型离子通道视紫质)的蛋白，这种蛋白能使神经元对光敏感。通过结合遗传学技术，研究人员在不同类型的神经元中表达了ChR2，通过激光与遍及脑部的光纤，精确调控它们的活性。通过更进一步的实验，研究人员还发现根据刺激发生在振荡周期的哪个阶段，脑部对于触觉刺激的反应会更大或更小。从而支持了前文的构想：这些同步振荡对于控制我们如何感知刺激很重要。前景预测作用使用这些光遗传学(optogenetic)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。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。应用光遗传学研究使用的新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。"光遗传学"当选《自然》2010年度研究方法2010年12月27日16:21来源：中国经济网综合张笑/编译12月23日出版的新一期《自然》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《自然一方法学》(NatureMethods)评选出的2010年度研究方法光遗传学(optogenetics)。光遗传学是一种通过使用光学技术和遗传技术来实现控制细胞行为的方法，它克服了传统的只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，为神经科学提供了一种变革性的研究手段。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。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。两者并驾齐驱，让科学家们利用光遗传学在生命科学领域取得了许多显著的成就。此外，《自然一方法学》还介绍了其他值得关注的几种研究方法，包括锌指核酸酶技术、定向蛋白组学、活细胞内载体技术、单分子结构检测技术、可适性生物成像光学技术等。名词：光遗传学概念：结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性。到目前为止，要刺激特定的神经元，研究人员依然只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。这也恰恰是光遗传学这块新领域让人兴奋的原因。光遗传学是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞，这对于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究同样提供了启发。借助光纤和设计的病毒，研究者便能高度精确地对神经元进行刺激。这也将令移植技术获得诸如接管因为外伤或中风而受到损伤的大脑区域的功能之类的发展。其原理是：首先，一个被设计出来、旨在当某些特定神经元被光击中时激活它们的病毒被注入大脑，然后研究人员便能够通过一条连接着电极的光纤缆绳向大脑发出光线，按照意愿控制神经元的开闭。可以说，光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，人们得以挑选一种类型的细胞然后发现其功能。相关的研究一开始使用老鼠进行试验，但现在研究人员已经把该技术应用到猴子身上。美国国防部高级研究计划局最近更是宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的项目计划。同时，光遗传学也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。作为工具，其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，从而使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。再接下来，则是将光遗传学研究中的新技术，推广到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。光遗传学技术就是遗传学技术和光控技术结合之后产生的一项全新的技术。人们可以借助光遗传学技术对活体组织的特定细胞进行调控，开启或关闭某个已经被研究得非常清楚的细胞功能。光遗传学技术包括的范围很广，其中最核心的技术是开发对光敏感并且可定向控制的材料或工具，而且这种材料或工具被光刺激之后还要能够展现出效应子功能（effectorfunction）0除此之外，光学遗传学技术还包括其它一些辅助技术。给焦虑心态安个“开关”：光遗传学或控制神经元2011年05月31日11:53来源：科技日报控制焦虑或许不再需要长年服用药物或心理治疗了，美国科学家至少已经在一些特殊的经过基因改造的小鼠身上证明这是行得通的。在最近发表于《自然》杂志的一项新研究中，来自斯坦福大学的研究小组表示，他们仅仅启动了一个“开关”，原本高度紧张的小鼠顿时一改畏畏缩缩的作风，变成了胆大的“探险家”。这个由斯坦福大学精神病学家卡尔-戴斯厄罗斯带领的研究小组所采用的就是时下新兴的技术一一光遗传学（optogenetics），这种技术结合了转基因工程与光来操作个别神经细胞的活性，可以对精心挑选的神经元的电活动进行控制。可高度精确地控制神经元到目前为止，要刺激特定的神经元，通常只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。而光遗传学技术则可让研究人员使用一种新的光控方法高度精确地对神经元进行刺激，同时还能按照意愿控制神经元的开合。在这项实验中，研究人员先将这些小鼠神经元改造得对光非常敏感，然后通过植入的光纤，用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定神经回路。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。结果显示，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。实验原理很简单：首先，生物学家要确定一个“视蛋白”，这是一种存在于绿藻等感光生物体体内、可让它们探测到光的蛋白。接下来，分离出视蛋白的基因，然后利用经过转基因处理后的无害病毒作为载体，将基因插入到大脑神经元中，视蛋白的DNA（脱氧核糖核酸）会成为大脑神经元的遗传物质的一部分。最后，研究人员精巧地让细薄的光纤穿过层层神经组织，将光送到正确的位点。当这些表达视蛋白的转基因神经元暴露在光照射中时，就能够传导电流（也就是大脑的语言）。有些视蛋白，比如响应蓝色光的光敏蛋白可以激活神经元，而响应黄色光的盐细菌视紫红质等其他视蛋白则会抑制神经元，如此一来，神经元的开合就可以人为加以控制了。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。人体试验为时尚早这一新的研究领域令科学家们兴奋不已，因为这使他们拥有了对特定大脑回路的非凡的控制能力，进而能够深刻了解包括焦虑症和帕金森氏症在内的一系列神经紊乱疾病。戴斯厄罗斯承认，老鼠与人类非常不同，但他认为，由于“哺乳动物的大脑具有惊人的跨物种的共性”，他们的研究成果或将有助于更好地理解导致人类焦虑的神经机制，并为相关治疗指明新的方向。美国波士顿大学焦虑与相关紊乱疾病中心创始人大卫•巴洛则警告说，不要莽撞地将二者进行类比，他表示：“我相信调查人员会认同，不能将这些复杂的症状归结到一个单一的小的神经回路，而不考虑参与思考和评价的其他重要的大脑回路。”加州理工学院生物学教授大卫•安德森同样在开展光遗传学方面的研究，他将药物治疗的效果比喻为粗心地更换润滑油，如果不慎将一加仑机油倒在汽车发动机上，有些油滴会流向正确的地方，但大部分油最终给车辆带来的是损害而不是维护。“精神疾病很可能不仅仅只是由于大脑中化学物质失衡引起的，”安德森说，“它们可能涉及到大脑特定区域中特定回路的紊乱。”正因为如此，能够以超常的精度集中于单个电路的光遗传学技术在治疗精神疾病方面极具潜力。但戴斯厄罗斯和其他人也警告说，即使有朝一日这些方法能够运用在人类身上，那也是很多年以后了。其原因之一就在于，光遗传学的应用涉及到转基因生物工程，大多数人都会三思而后行。部分研究成果开始走向临床应用借助光遗传学技术，神经学家可以观察神经元活动和动物行为之间的关系。在早期的实验中，科学家发现，通过随意打开或关闭特定的神经元，他们可以使蠕虫停止摆动，让小鼠如同受到遥控一样狂躁地转圈，这证明动物行为实际上是受神经元支配的。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种技术来深入了解神经系统如何工作，研究包括慢性疼痛、帕金森氏症和视网膜变性在内的诸多问题，其中部分研究成果已经开始逐渐走向临床应用。比如，与戴斯厄罗斯合作的斯坦福大学神经病专家阿米特•艾特金正在努力促进有关啮齿类动物焦虑症研究成果的转化，以利用现有工具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。他们的神经外科同事贾米•亨德森已经对600多名帕金森氏症患者实施了被称为脑深部电刺激（俗称“脑起搏器”）的标准疗法。这种治疗方法需要在大脑的丘脑底核部位植入金属电极，虽然能够提高病患的协调能力和细微动作的控制能力，但也会引起副作用，如肌肉不自主收缩、头晕等，这也许是因为其他无关的神经回路也被大脑深处的电极激活了。“如果我们能够找到一种方法，只启动有疗效的神经回路，而不触动那些会引起副作用的回路，这显然（对治疗）大有助益。”亨德森说。此外，脑部植入电极具有感染和危及生命的出血风险。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，采用刺激大脑表层的替代疗法或许是可行的。亨德森最近已经开始进行人体临床试验，希望这种方法还能够用于治疗与帕金森氏症相关的其他问题，比如言语障碍等。而他们的另一位同事、神经科学研究员克里希纳•谢诺伊正在灵长类动物身上开展光遗传学研究。在最近的一次实验中，他带领的研究小组用病毒作为载体将视蛋白插入了恒河猴的大脑，从而能够借助光来控制选定的神经元，而植入光纤和病毒都没有对这些恒河猴造成不良影响。谢诺伊表示，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最近便宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的计划，谢诺伊也是该项目组研究成员之一。“当前的系统可以让假肢触及杯子，但由于缺乏人造触觉，假肢很难将杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子。”他说，“利用光遗传学技术，通过位于假肢指尖的传感器将信息直接传递回大脑，原则上可以提供一种高保真的人造触觉。”可以说，光遗传学开辟了一个让人激动的新研究领域，一些研究人员已经开始设想，如果能够克服生物医学的挑战，确保新基因安全地递送到人体内，基于光遗传学的治疗方法将直接应用于人类。光遗传学研究的先行者博伊登专门创办了一个实验室，致力于研发和推广更强有效的工具。他指出，光与药物和电极不同，它可以“关闭”神经元，或者说“关闭整个神经回路”，而这正是医生在治疗大脑遭受过度刺激的癫痫症患者时想要做的。在博伊登看来，如果想关闭大脑电路，同手术切除大脑部分区域的治疗方案相比，采用植入光纤的方法似乎更可取。目前有几个实验室正在对此进行研究，不过，谈及光遗传学技术的实际应用仍然为时尚早。(记者陈丹)封面头条：光遗传学技术的诞生发布时间：2011-07-0616:472010年著名的方法学期刊：《NatureMethods》评选出的年度技术是一项我们不太熟悉的技术：光遗传学(optogenetics)技术，这项技术能帮助科学家们分析研究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，开辟了一个新的让人激动的研究领域，因此吸引了许多科学家们投身于这一领域。近期《TheScientist》就以“TheBirthofOptogenetics”为题，描述了这种可以通过光来调控大脑环路的技术方法。文章由光遗传学技术先驱，麻省理工的EdwardS.Boyden教授撰写，Boyden教授专门创办了一个实验室，致力于研发和推广更强有效的光遗传工具。他认为光与药物和电极不同，它可以“关闭”神经元，或者说“关闭整个神经回路”，而这正是医生在治疗大脑遭受过度刺激的癫痫症患者时想要做的。这篇文章讲述了他的光遗传学技术研究道路，描述了这一技术是如何诞生，如何发展的。光遗传学的诞生光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的，他们将这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)，这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。2009年，研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为一幼虫典型的周期性摆尾。使用这些光遗传学(optogenetic)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。这一光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。这种新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gatedionchannels)，比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2，ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。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。但是和其它任何一种生物研究工具一样，这些视蛋白也不是十全十美，因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。技术新发展近期光遗传学技术也发展了一些新工具，研究人员希望能够通过这些新方法研究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一一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，还有其他研究小组已经用光遗传学技术控制过固定不动的线虫的单个神经元。斯坦福大学的研究人员就通过光遗传学技术对精心挑选的神经元的电活动进行控制。到目前为止，要刺激特定的神经元，通常只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。而光遗传学技术则可让研究人员使用一种新的光控方法高度精确地对神经元进行刺激，同时还能按照意愿控制神经元的开合。斯坦福大学的研究人员先将这些小鼠神经元改造得对光非常敏感，然后通过植入的光纤，用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定神经回路。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。结果显示，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。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。与其它技术联用光学遗传学在研究上的重要性与日俱增，尤其是当它与其他技术结合使用时。近年来，神经科学因功能性磁共振造影(fMRI)而有长足进展，虽然一般认为这种扫描技术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。来自斯坦福大学，光遗传技术的发明者KarlDeisseroth的研究组在2010年结合光学遗传学和fMRI，验证了局部刺激神经元活化足以诱发在fMRI侦测到的褪杂讯号，研究人员还能准确并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。这说明通过光学遗传学，可以检测并促进神经科学和精神病学丰富文献中的研究。临床应用当然现在说用于人体实验还为时尚早，但是已经有一些研究成果已经开始逐渐走向临床应用。比如，斯坦福大学神经病专家AmitEtkin正在努力促进有关啮齿类动物焦虑症研究成果的转化，以利用现有工具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。另外神经科学研究员KrishnaV.Shenoy正在灵长类动物身上开展光遗传学研究。在最近的一次实验中，他带领的研究小组用病毒作为载体将视蛋白插入了恒河猴的大脑，从而能够借助光来控制选定的神经元，而植入光纤和病毒都没有对这些恒河猴造成不良影响。Shenoy表示，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最近便宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的计划，Shenoy也是该项目组研究成员之一。“当前的系统可以让假肢触及杯子，但由于缺乏人造触觉，假肢很难将杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子。”他说，“利用光遗传学技术，通过位于假肢指尖的传感器将信息直接传递回大脑，原则上可以提供一种高保真的人造触觉。”无论如何，光遗传学开辟了一个让人激动的新研究领域，一些研究人员已经开始设想，如果能够克服生物医学的挑战，确保新基因安全地递送到人体内，基于光遗传学的治疗方法将直接应用于人类。原文摘要：TheBirthofOptogeneticsAnaccountofthepathtorealizingtoolsforcontrollingbraincircuitswithlightByEdwardS.Boyden|July1,2011Forafewyearsnow,I'vetaughtacourseatMITcalled"PrinciplesofNeuroengineering."Theideaofthelassistogetstudentsthinkingabouthowtocreateneurotechnologyinnovations—newinventionsthatcansolveoutstandingscientificquestionsoraddressunmetclinicalneeds.Designingneurotechnologiesisdifficultbecauseofthecomplexpropertiesofthebrain:itsinaccessibility,heterogeneity,fragility,anatomicalrichness,andhighspeedofoperation.Toillustratetheprocess,IdecidedtowriteacasestudyaboutthebirthanddevelopmentofaninnovationwithwhichIhavebeenintimatelyinvolved:optogenetics—atoolsetofgeneticallyencodedmoleculesthat,whentargetedtospecificneuronsinthebrain,allowtheactivityofthoseneuronstobedrivenorsilencedbylight.生物通报道：光遗传学(optogenetic)技术是指将光学技术与遗传学技术相结合，在动物体内针对神经系统开展研究的技术，比如说可以结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生^波(gammaoscillations)，并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。生物通近期《NatureMethods》总结了光遗传学技术的一些新工具，希望能够通过这些新方法研究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。光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的，他们将这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)，这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。生物通2009年，研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为一幼虫典型的周期性摆尾。使用这些光遗传学(optogenetic)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。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。生物通研究人员介绍说，该研究使用的新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。生物通在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gatedionchannels)，比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2，ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。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。但是和其它任何一种生物研究工具一样，这些视蛋白也不是十全十美，因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。来自在麻省理工学院的研究人员在07年就第一次用嗜盐菌紫质关闭了神经元细胞。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，于是又开始到其它的生态系统中寻找新视蛋白。现在，这一小组已经报道了几个新的视蛋白分子，比如Chow等人在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。生物通他们对古细菌、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：光驱动质子泵输。虽然质子原本并不是被神经系统用作载荷子，但来自Halorubrumsodomense的archaerhodopsin-3的光驱动质子泵输，能响应于光照来调控强大的神经沉默作用。来自真菌Leptosphaeriamaculans的一个质子泵能够在蓝光照射下启动神经沉默。这些试剂的使用将有助于用光来关闭神经回路，作为研究神经回路在行为和病理中所起作用的一种工具。研究人员注意到了这两种新的质子泵：来自苏打盐红菌(Halorubrumsodomense，一种古细菌)的Arch蛋白和来自油菜黑胫病真菌(Leptosphaeriamaculans)的Mac蛋白。这两种分子相比传统的视蛋白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)。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了。Boyden等人也的确利用嗜盐菌紫质和Mac蛋白做到了这一点。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出现。生物通新发现蛋白中的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抑制蛋白，这样就能分别关闭同源的两组神经元，如已移至脑部其他区域的前额叶皮层神经元。目前这群科学家正与Eos公司合作，该公司旨在用光遗传学治疗失明。另一家新公司希望能用这种技术治疗脊髓损伤。这些努力能否获得成功，还取决于将基因和光安全有效地输入神经元的技能如何，这并非一日之功。生物通另外来自德国柏林洪堡大学的研究人员构建了一个新型的ChR2蛋白一一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Y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，ChETA蛋白来的正是时候。他们在快速放电大脑皮质小白蛋白中间神经元细胞(fast-spikingcorticalparvalbumininterneurons)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。这种新工具可能会促进神经药物治疗领域的发展，如果将这个概念延展到酶学领域，那么是否能够通过光线控制基因表达呢？如果真是这样，那么就能将光遗传学技术拓展到细胞生物学或者细胞发育等研究领域了。生物通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。光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。光遗传学研究使用的新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在未来几年里光遗传学工具的发展还将继续下去，而这些工具也必将被应用到更为广阔的领域，比如心脏细胞研究领域等。上文提到的麻省理工的研究人员已经先行一步，他们与Eos公司合作，希望能用光遗传学治疗失明，他们认为尽管光控技术还没有像用于蝇、鼠、猴那样应用于人脑，但光遗传学必将带给医学突破性进展。如果光遗传学能检定出神经类和精神类疾病的紊乱脑回路，就可用药物或更可靠技术如深部脑刺激术，来治疗这些细胞。生物通(生物通：万纹)原文检索：生物通Chow,B.Yetal.High-performancegeneticallytargetableopticalneuralsilencingbylight-drivenprotonpumps.Nature463,98-102(2010).Gunaydin,L.A.etal.Ultrafastoptogeneticcontrol.Nat.Neurosci.13,387-392(2010).方法技术从来都是科学进步的推动力，在生命科学领域更是如此，去年《NatureMethods》将这一殊荣颁给了iPS技术，原因是专家们认为iPS技术给生命科学领域带来的影响是十分深远的。而今年《NatureMethods》将年度技术颁给了光遗传学技术，理由是认为这一技术工具在神经科学，以及细胞生物学信号通路研究方面具有革命性的促进作用。光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的，他们将这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)，这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。2009年，研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为一幼虫典型的周期性摆尾。使用这些光遗传学(optogenetic)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。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。研究人员介绍说，该研究使用的新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gatedionchannels)，比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2，ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。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。但是和其它任何一种生物研究工具一样，这些视蛋白也不是十全十美，因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。今年光遗传学技术也发展了一些新工具，研究人员希望能够通过这些新方法研究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。比如来自德国柏林洪堡大学的研究人员构建了一个新型的ChR2蛋白一一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Y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，ChETA蛋白来的正是时候。他们在快速放电大脑皮质小白蛋白中间神经元细胞(fast-spikingcorticalparvalbumininterneurons)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。这种新工具可能会促进神经药物治疗领域的发展，如果将这个概念延展到酶学领域，那么是否能够通过光线控制基因表达呢？如果真是这样，那么就能将光遗传学技术拓展到细胞生物学或者细胞发育等研究领域了。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。光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。光遗传学研究使用的新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在未来几年里光遗传学工具的发展还将继续下去，而这些工具也必将被应用到更为广阔的领域。探究光遗传学的80后女孩与老一辈研究人员不同，张嘉漪的科学训练都是在美国完成的。她从一开始接触的教材、读的论文就都是英文的。这一点使她与美国同行合作时毫无语言障碍。“现在回国进行研究了，我正在学中文的专业名词。在语言方面好像跟其他人正好相反。”她笑着说。作为一个80后女生，她有时会像很多年轻人一样改编名言。比如她把“生命在于运动”改成“生命在于时间”，用来高度概括“时间性在大脑神经环路形成中的关键作用”。其实，这正是张嘉漪目前所从事的研究，发表在最新一期的《自然一神经科学》杂志上。身为文章的第一作者，她与耶鲁大学的研究人员运用光遗传学技术，通过小鼠实验，发现了神经生物学的新规律。为什么说“生命在于时间”呢？张嘉漪告诉记者，小鼠出生后的头14天是睁不开眼的。在这一阶段，若两个眼睛受到时间上错开的光刺激，小鼠眼睛到视觉中枢的连接图形是正常的；反之，若两眼同时受到光刺激并发生自发神经活动，连接图形就会发生异常。在此过程中，光刺激是错开的还是同时的，影响着小鼠是否能拥有健全的视觉系统。从长远上看，这项研究有助于破解自闭症等疾病的成因。不过现阶段，张嘉漪的研究重点还是进一步完善小鼠实验，探索自发神经活动对大脑皮层、小脑和脊椎的影响。与视觉系统一样，神经活动的时间性在这些系统中也扮演着重要的作用。因此她“灵光一闪”，想出“生命在于时间”来概括研究成果。不过，搞科研光靠“灵光”还不够，选择正确的研究手段也很重要。张嘉漪反复强调运用光遗传学技术做实验的重要性。这项技术用于神经生物学始于2006年，它与飞速发展的基因技术相结合，使得研究人员可以控制指定基因表达类型下的细胞活动。正是这项新技术给了当时还在耶鲁大学攻读博士后课程的张嘉漪灵感，她看出光遗传学技术不仅有趣，而且有用，能够实现之前无法完成的研究。为此，她与斯坦福大学此技术的发明组合作，致力于研究“时间性在大脑神经环路形成中的作用”。新技术固然能带来更多发现可能性，但也由于“新”使张嘉漪完全无先例可循。她在动手之前需要做大量前期准备来验证实验可行性。同时，因为生物体的个体差异，为了使结果不受影响，就需要在各种实验条件下不断重复。尽管这一过程听起来令人畏惧，她却“淡定”地总结：基础研究考验的就是人的耐心。经过长时间的探索，如今实验取得了阶段性的成功。令记者想不到的是，她印象最深刻的并不是最后的结果，也不是过程中的进步，而是一些小细节。“实验中需将新生小鼠放在冰上进行麻醉，并向眼中注射带有光遗传基因的病毒。这样几分钟过后，小鼠体温下降，呼吸也停止了。可是它并不会死。只要把它放到室温下，小鼠就会恢复。其实人也是如此，刚出生时很脆弱，可是生物机制会保护我们。可以说生命的脆弱性与顽强性并存。”张嘉漪说。光遗传学有望给大脑装一个“光”控开关爱是一道光，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”（opticalstimulationplusgeneticengineering）。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：ScientificAmerican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，彳艮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一一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.,etal.,Optogeneticdisruptionofsleepcontinuityimpairsmemoryconsolidation.ProcNatlAcadSciUSA,2011.108（32）:p.13305-10.［2］.NatureMethods2010..NatureMethods2010:/nmeth/journal/v8/n1/full/nmeth.f.322.html?pagewanted=all.Optogenetics..Optogenetics:/v_show/id_XMzAxNDc2NTc2.html.Lightscience:optogenetics..Lightscience:optogenetics:/2011/08/12/light-science-optogenetics/.Nowak,V.A.,etal.,Optogenetics--shininglightonneurosurgicalconditions.BrJNeurosurg,2010.24(6):p.618-24..Optogenetics:Controllingthebrainwithlight..Optogenetics:Controllingthebrainwithlight:/watch?v=QA67v4vSg00&feature=player_embedded一给焦虑心态安个“开关”：光遗传学或控制神经元控制焦虑或许不再需要长年服用药物或心理治疗了，美国科学家至少已经在一些特殊的经过基因改造的小鼠身上证明这是行得通的。在最近发表于《自然》杂志的一项新研究中，来自斯坦福大学的研究小组表示，他们仅仅启动了一个“开关”，原本高度紧张的小鼠顿时一改畏畏缩缩的作风，变成了胆大的“探险家”。控制焦虑或许不再需要长年服用药物或心理治疗了，美国科学家至少已经在一些特殊的经过基因改造的小鼠身上证明这是行得通的。在最近发表于《自然》杂志的一项新研究中，来自斯坦福大学的研究小组表示，他们仅仅启动了一个“开关”，原本高度紧张的小鼠顿时一改畏畏缩缩的作风，变成了胆大的“探险家”。这个由斯坦福大学精神病学家卡尔•戴斯厄罗斯带领的研究小组所采用的就是时下新兴的技术一一光遗传学(optogenetics)，这种技术结合了转基因工程与光来操作个别神经细胞的活性，可以对精心挑选的神经元的电活动进行控制。可高度精确地控制神经元到目前为止，要刺激特定的神经元，通常只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。而光遗传学技术则可让研究人员使用一种新的光控方法高度精确地对神经元进行刺激，同时还能按照意愿控制神经元的开合。在这项实验中，研究人员先将这些小鼠神经元改造得对光非常敏感，然后通过植入的光纤，用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定神经回路。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。结果显示，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。实验原理很简单：首先，生物学家要确定一个“视蛋白”，这是一种存在于绿藻等感光生物体体内、可让它们探测到光的蛋白。接下来，分离出视蛋白的基因，然后利用经过转基因处理后的无害病毒作为载体，将基因插入到大脑神经元中，视蛋白的DNA(脱氧核糖核酸)会成为大脑神经元的遗传物质的一部分。最后，研究人员精巧地让细薄的光纤穿过层层神经组织，将光送到正确的位点。当这些表达视蛋白的转基因神经元暴露在光照射中时，就能够传导电流(也就是大脑的语言)。有些视蛋白，比如响应蓝色光的光敏蛋白可以激活神经元，而响应黄色光的盐细菌视紫红质等其他视蛋白则会抑制神经元，如此一来，神经元的开合就可以人为加以控制了。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。人体试验为时尚早这一新的研究领域令科学家们兴奋不已，因为这使他们拥有了对特定大脑回路的非凡的控制能力，进而能够深刻了解包括焦虑症和帕金森氏症在内的一系列神经紊乱疾病。戴斯厄罗斯承认，老鼠与人类非常不同，但他认为，由于“哺乳动物的大脑具有惊人的跨物种的共性”，他们的研究成果或将有助于更好地理解导致人类焦虑的神经机制，并为相关治疗指明新的方向。美国波士顿大学焦虑与相关紊乱疾病中心创始人大卫•巴洛则警告说，不要莽撞地将二者进行类比，他表示：“我相信调查人员会认同，不能将这些复杂的症状归结到一个单一的小的神经回路，而不考虑参与思考和评价的其他重要的大脑回路。”加州理工学院生物学教授大卫•安德森同样在开展光遗传学方面的研究，他将药物治疗的效果比喻为粗心地更换润滑油，如果不慎将一加仑机油倒在汽车发动机上，有些油滴会流向正确的地方，但大部分油最终给车辆带来的是损害而不是维护。“精神疾病很可能不仅仅只是由于大脑中化学物质失衡引起的，”安德森说，“它们可能涉及到大脑特定区域中特定回路的紊乱。”正因为如此，能够以超常的精度集中于单个电路的光遗传学技术在治疗精神疾病方面极具潜力。但戴斯厄罗斯和其他人也警告说，即使有朝一日这些方法能够运用在人类身上，那也是很多年以后了。其原因之一就在于，光遗传学的应用涉及到转基因生物工程，大多数人都会三思而后行。部分研究成果开始走向临床应用借助光遗传学技术，神经学家可以观察神经元活动和动物行为之间的关系。在早期的实验中，科学家发现，通过随意打开或关闭特定的神经元，他们可以使蠕虫停止摆动，让小鼠如同受到遥控一样狂躁地转圈，这证明动物行为实际上是受神经元支配的。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种技术来深入了解神经系统如何工作，研究包括慢性疼痛、帕金森氏症和视网膜变性在内的诸多问题，其中部分研究成果已经开始逐渐走向临床应用。比如，与戴斯厄罗斯合作的斯坦福大学神经病专家阿米特•艾特金正在努力促进有关啮齿类动物焦虑症研究成果的转化，以利用现有工具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。他们的神经外科同事贾米•亨德森已经对600多名帕金森氏症患者实施了被称为脑深部电刺激(俗称“脑起搏器”)的标准疗法。这种治疗方法需要在大脑的丘脑底核部位植入金属电极，虽然能够提高病患的协调能力和细微动作的控制能力，但也会引起副作用，如肌肉不自主收缩、头晕等，这也许是因为其他无关的神经回路也被大脑深处的电极激活了。“如果我们能够找到一种方法，只启动有疗效的神经回路，而不触动那些会引起副作用的回路，这显然(对治疗)大有助益。”亨德森说。此外，脑部植入电极具有感染和危及生命的出血风险。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，采用刺激大脑表层的替代疗法或许是可行的。亨德森最近已经开始进行人体临床试验，希望这种方法还能够用于治疗与帕金森氏症相关的其他问题，比如言语障碍等。而他们的另一位同事、神经科学研究员克里希纳•谢诺伊正在灵长类动物身上开展光遗传学研究。在最近的一次实验中，他带领的研究小组用病毒作为载体将视蛋白插入了恒河猴的大脑，从而能够借助光来控制选定的神经元，而植入光纤和病毒都没有对这些恒河猴造成不良影响。谢诺伊表示，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最近便宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的计划，谢诺伊也是该项目组研究成员之一。“当前的系统可以让假肢触及杯子，但由于缺乏人造触觉，假肢很难将杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子。”他说，“利用光遗传学技术，通过位于假肢指尖的传感器将信息直接传递回大脑，原则上可以提供一种高保真的人造触觉。”可以说，光遗传学开辟了一个让人激动的新研究领域，一些研究人员已经开始设想，如果能够克服生物医学的挑战，确保新基因安全地递送到人体内，基于光遗传学的治疗方法将直接应用于人类。光遗传学研究的先行者博伊登专门创办了一个实验室，致力于研发和推广更强有效的工具。他指出，光与药物和电极不同，它可以“关闭”神经元，或者说“关闭整个神经回路”，而这正是医生在治疗大脑遭受过度刺激的癫痫症患者时想要做的。在博伊登看来，如果想关闭大脑电路，同手术切除大脑部分区域的治疗方案相比，采用植入光纤的方法似乎更可取。目前有几个实验室正在对此进行研究，不过，谈及光遗传学技术的实际应用仍然为时尚早。斯坦福光遗传学新技术为瘫痪治疗带来新希望近日斯坦福大学的研究人员采用一种新的光遗传学技术使生物工程小鼠神经元表面表达特异的光敏感蛋白，通过光线诱导肌肉发生正常的收缩。研究论文在线发表在《自然医学》(NatureMedicine)杂志上。生物通报道近日斯坦福大学的研究人员采用一种新的光遗传学技术使生物工程小鼠神经元表面表达特异的光敏感蛋白，通过光线诱导肌肉发生正常的收缩。研究论文在线发表在《自然医学》(NatureMedicine)杂志上。生物通斯坦福医学及工程学院的研究人员认为这项新技术是一种非常有价值的研究工具，利用这种新方法科学家们能够更精确地控制肌肉放电顺序。同时他们表示相信这项新技术一定会在未来进入实际应用帮助中风、脊髓损伤或脑损伤导致四肢瘫痪的患者恢复运动能力，消除脑性麻痹引起的痉挛。研究人员利用光遗传学技术将海藻的一种特异基因插入到实验动物的基因组中。这种基因可编码一种光敏蛋白分布于神经元表面。特异波长的光可以激发表达光敏蛋白的动物神经元的活性，按照实验人员的意愿改变神经元的放电形式。生物通生物工程学教授ScottDelp和工程学院的Clark教授是研究的两个主要发起人。ScottDelp说道：“研究小组的目前研究焦点是使残疾人士恢复最佳运动。通过光学刺激我们能够使运动神经纤维重新产生正常的放电。”生物工程学以及精神病学和行为科学系副教授KarlDeisseroth博士是新研究中光遗传学技术的发明人，他曾经利用光遗传学技术开展多项试验对工程动物的中枢神经系统进行研究。“这标志着这项技术第一次应用到哺乳动物外周神经系统，”Deisseroth说。生物通脊髓通过外周神经系统的长神经纤维支配骨骼肌产生随意运动。骨骼肌纤维通过聚集于“运动单位”发挥功能。运动单位是指一个神经纤维及受其支配的全部肌纤维组成的肌肉收缩的最基本单位。运动神经不同位点伸出的单个神经纤维支配可变数量的骨骼肌纤维。运动单位根据大小和生理功能的不同可分为2种，即运动性运动单位和紧张性运动单位。紧张性运动单位的神经纤维较细可支配少量的肌纤维；运动型运动单位的神经纤维较粗，存在于较大的神经单位中支配成千上万的肌纤维。正常情况下当运动开始时，较粗的神经纤维需要更强烈的刺激产生放电。因此通常细神经纤维支配慢抽搐肌纤维先于粗神经纤维支配快抽搐肌纤维产生收缩。生物通快抽搐肌纤维是剧烈运动例如跑步所必需的，它可快速燃烧有限的主要燃料糖原，易于疲劳。慢抽搐肌纤维慢速消耗燃料，在精细运动中例如缝纫活画图中发挥决定性作用。通常人体的活动主要依赖于慢抽搐肌纤维在较长时间内发挥作用，而快抽搐肌纤维则在需要短暂爆发的高能量活动中发挥作用。过去研究人员曾尝试在瘫痪病人的神经元周围植入电极，利用程序控制激活电极中的电脉冲，从而使患者恢复丧失的运动功能。但通常这种行走仅能维持几分钟。这是因为粗神经纤维比细神经纤维对电刺激更敏感，因此肌肉以错误的顺序发生收缩，即先发生快抽搐肌纤维收缩，然后才发生慢抽搐肌纤维收缩，从而导致抽筋及快速的肌肉疲劳。生物通论文的第一作者Delp实验室的MichaelLlewellyn制成了一种“光电极”，这种光电极是由极小的发光二极管组成，能将其放置在生物工程动物坐骨神经周围。发光二极管发射高强度的蓝光深入穿透到神经元里，所有的神经纤维均可接收到来自发光二极管短脉冲的充分刺激。研究人员发现光刺激使肌纤维重新产生正常的放电，诱导发生了与自然条件下一致的肌肉收缩。接下来研究人员又利用了不同的检测方法对光电极与电极诱导的肌肉收缩进行了比较。在低水平的光刺激下慢抽搐肌纤维就可发生激活。而电刺激首先激活的是快抽搐肌纤维。更重要的是，光诱导的肌肉收缩维持时间远远长于电刺激。生物通“光刺激20分钟后，肌肉还保持了三分之一的最大应力，而电刺激仅在一小会后就恢复了平台期，电刺激在4分钟内使得相同的肌肉完全疲劳，”Llewellyn说：“此外，光刺激更易于启动肌肉的收缩，且主要是作用于慢抽搐肌纤维，而不是快抽搐肌纤维。而电刺激则可相等地诱导两种肌肉类型。”Delp说这还只是初期的研究工具，但是它给临床应用带来了期望。他期待能找到一种方法更安全地诱导人体基因编码神经元表面的光敏蛋白。生物通Delp说：“现在所采用的电极技术仅能使截瘫者行走数分钟，光电极能够以微创的方式插入到运动神经束的适当位置，利用计算机系统模仿自然生理学状态调控光刺激诱导不同的纤维在不同的时间放电。”Delp和Deisseroth正在对不同的对光产生反应的蛋白做类似的研究通过它们抑制神经纤维活性消除脑性麻痹所导致的痉挛。光遗传学“改造”心肌细胞研究人员发现，光线可刺激经遗传工程改造的心脏细胞，这些细胞也能让心脏以同样的方式受到刺激，这将有助于正常心脏功能的研究，并有可能打开一扇新门：在啮齿动物的研究中用光作为心脏起搏器。新成果发表在日前在线出版的《自然一方法学》期刊上。研究人员发现，光线可刺激经遗传工程改造的心脏细胞，这些细胞也能让心脏以同样的方式受到刺激，这将有助于正常心脏功能的研究，并有可能打开一扇新门：在啮齿动物的研究中用光作为心脏起搏器。新成果发表在日前在线出版的《自然一方法学》期刊上。光遗传学是一种已经建立的方法，它借助于来自微组织的已遗传编码的光敏感蛋白质，通过光来控制细胞行为。蓝光脉冲能打开正离子光敏感通道ChR2，当这种通道在受激细胞的表面表达时，还能激发电子信号的传递。过度表达ChR2的神经细胞是神经生物学研究中的常用工具，因为它们能选择性地被激活。PhilippSasse和同事将ChR2的用途拓展到身体中其他的受激细胞，如心脏细胞。他们在小鼠的心肌细胞中表达了ChR2，并在试验盘和转基因小鼠体内用光线精确地刺激这些细胞的生长。光脉冲促进了电流在心脏细胞中的定位和持续时间。光控大脑成为现实美国哈佛大学的一个研究小组制作了一个可以操控线虫的计算机系统一一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。这项技术也许可以帮助神经科学家更好地理解动物神经系统如何工作。科学家离人工控制大脑又近了一步，虽然这个大脑比沙砾还要小。最近，美国哈佛大学的一个研究小组制作了一个可以操控线虫的计算机系统一一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。这项技术也许可以帮助神经科学家更好地理解动物神经系统如何工作。实验中的线虫学名为秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)，是研究得最深入的一种生物：科学家已经完成了秀丽隐杆线虫体内全部细胞的分类和绘制，其中包括302个神经细胞和5000多个神经连接。但是，科学家始终不知道“神经细胞如何像网络一样协同工作”，美国哈佛大学生物物理学专业的研究生安德鲁•利弗尔(AndrewLeifer)说。当线虫在游动时，它们如何协调全身100多个肌肉细胞，让这些细胞呈现出波浪一样的收缩和舒展模式？为了弄清这个问题，利弗尔和同事利用基因技术，改造了一条只有1毫米长的线虫，让它体内的一些特殊细胞对光敏感——这就是近年发展起来的光遗传学技术(optogenetics，参见《环球科学》2010年第12期《用光遥控大脑》)。因为线虫的身体是透明的，聚焦点极小、瞄准精度高达30微米的激光束可以激活或抑制单个神经细胞的活动，无须使用电极或其他侵入式手段。利弗尔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。他还编写了一个程序，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。这项研究的结果发表在《自然•方法学》(naturemethod)的网络版上。其他研究小组已经用光遗传学技术控制过固定不动的线虫的单个神经元。但利弗尔认为，就了解动物体的生理机制而言，必须要在自由活动的线虫身上进行实验。他和合作者的研究表明，在线虫游动的过程中，运动信号向全身的传递不只是通过肌肉细胞本身，还会通过神经连接。利弗尔认为，这项技术或许能在某一天帮助科学家完整模拟这种生物的行为。他说：“我们希望可以创造出线虫整个神经系统的计算机模型。”在某种程度上，这好比是向计算机“上传大脑”，虽然只是一个很初级的大脑。光遗传学(optogenetic)技术是指将光学技术与遗传学技术相结合，在动物体内针对神经系统开展研究的技术，比如说可以结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生^波(gammaoscillations)，并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。近期《NatureMethods》总结了光遗传学技术的一些新工具，希望能够通过这些新方法研究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。光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的，他们将这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)，这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。2009年，研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为一幼虫典型的周期性摆尾。使用这些光遗传学(optogenetic)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。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。研究人员介绍说，该研究使用的新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gatedionchannels)，比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2，ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。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。但是和其它任何一种生物研究工具一样，这些视蛋白也不是十全十美，因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。来自在麻省理工学院的研究人员在07年就第一次用嗜盐菌紫质关闭了神经元细胞。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，于是又开始到其它的生态系统中寻找新视蛋白。现在，这一小组已经报道了几个新的视蛋白分子，比如Chow等人在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。他们对古细菌、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：光驱动质子泵输。虽然质子原本并不是被神经系统用作载荷子，但来自Halorubrumsodomense的archaerhodopsin-3的光驱动质子泵输，能响应于光照来调控强大的神经沉默作用。来自真菌Leptosphaeriamaculans的一个质子泵能够在蓝光照射下启动神经沉默。这些试剂的使用将有助于用光来关闭神经回路，作为研究神经回路在行为和病理中所起作用的一种工具。研究人员注意到了这两种新的质子泵：来自苏打盐红菌(Halorubrumsodomense，一种古细菌)的Arch蛋白和来自油菜黑胫病真菌(Leptosphaeriamaculans)的Mac蛋白。这两种分子相比传统的视蛋白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)。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了。Boyden等人也的确利用嗜盐菌紫质和Mac蛋白做到了这一点。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出现。新发现蛋白中的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抑制蛋白，这样就能分别关闭同源的两组神经元，如已移至脑部其他区域的前额叶皮层神经元。目前这群科学家正与Eos公司合作，该公司旨在用光遗传学治疗失明。另一家新公司希望能用这种技术治疗脊髓损伤。这些努力能否获得成功，还取决于将基因和光安全有效地输入神经元的技能如何，这并非一日之功。另外来自德国柏林洪堡大学的研究人员构建了一个新型的ChR2蛋白一一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Y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，ChETA蛋白来的正是时候。他们在快速放电大脑皮质小白蛋白中间神经元细胞(fast-spikingcorticalparvalbumininterneurons)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。这种新工具可能会促进神经药物治疗领域的发展，如果将这个概念延展到酶学领域，那么是否能够通过光线控制基因表达呢？如果真是这样，那么就能将光遗传学技术拓展到细胞生物学或者细胞发育等研究领域了。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。光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。光遗传学研究使用的新技术可以推广到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。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。在未来几年里光遗传学工具的发展还将继续下去，而这些工具也必将被应用到更为广阔的领域，比如心脏细胞研究领域等。上文提到的麻省理工的研究人员已经先行一步，他们与Eos公司合作，希望能用光遗传学治疗失明，他们认为尽管光控技术还没有像用于蝇、鼠、猴那样应用于人脑，但光遗传学必将带给医学突破性进展。如果光遗传学能检定出神经类和精神类疾病的紊乱脑回路，就可用药物或更可靠技术如深部脑刺激术，来治疗这些细胞在光遗传学试验中，研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gatedionchannels)，比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2，ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。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。但是和其它任何一种生物研究工具一样，这些视蛋白也不是十全十美，因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。来自在