光遺傳學技術的誕生

日期：2011-07-06 08:40:13

2010年著名的方法學期刊：《Nature Methods》評選出的年度技術是一項我們不太熟悉的技術：光遺傳學（optogenetics）技術，這項技術能幫助科學家們分析研究幾乎所有類型的神經細胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細胞等，開辟了一個新的讓人激動的研究領域，因此吸引了許多科學家們投身于這一領域。近期《The Scientist》就以“The Birth of Optogenetics”為題，描述了這種可以通過光來調控大腦環路的技術方法。

文章由光遺傳學技術先驅，麻省理工的Edward S. Boyden教授撰寫，Boyden教授專門創辦了一個實驗室，致力于研發和推廣更強有效的光遺傳工具。他認為光與藥物和電極不同，它可以“關閉”神經元，或者說“關閉整個神經回路”，而這正是醫生在治療大腦遭受過度刺激的癲癇癥患者時想要做的。這篇文章講述了他的光遺傳學技術研究道路，描述了這一技術是如何誕生，如何發展的。

光遺傳學的誕生

光遺傳學是由斯坦福大學的研究人員開始用于研究小鼠大腦的，他們將這項技術稱之為Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學)，這個技術的關鍵是：科學家們必須事前向小白鼠體內注射一種植物基因，這種基因能夠對不同顏色光的刺激作出敏感的反應，還能通過自生特性感染類似的細胞。

2009年，研究人員就利用這種光控技術選擇并打開了某種生物的一類細胞。這也幫助科學家解答一個長期存在的難題，即關于脊髓中某類神經元的特殊功能的研究。他們在清醒的斑馬魚幼蟲的這些細胞中靶向插入光敏開關，結果發現這些細胞產生了突發的游泳行為—幼蟲典型的周期性擺尾。

使用這些光遺傳學（optogenetic）工具，能夠激活清醒哺乳動物的單一神經元，并直接演示神經元激活表現出的行為結果。這一光遺傳學方法使得研究人員能夠獲得關于脊髓回路的一些重要信息。這種新技術可以推廣到所有類型的神經細胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細胞等。光遺傳學開辟了一個新的讓人激動的研究領域，可以挑選出一種類型的細胞然后發現其功能。

在光遺傳學試驗中，研究人員能夠在感興趣的能調控電信號的靶細胞上表達來自視蛋白的光學門控離子通道（light-gated ion channels），比如視紫紅質通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌紫質（halorhodopsin）一類的視蛋白都已經成為了神經生物學實驗室中的常用蛋白。科學家可以分別利用藍光和紅光來激活（去極化）或抑制（超極化）一系列的經過遺傳改造的神經元細胞。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，因此科學家又開始尋找新一代的光遺傳學工具。

技術新發展

近期光遺傳學技術也發展了一些新工具，研究人員希望能夠通過這些新方法研究神經元細胞相互之間是如何形成功能的，以及通過控制著神經元細胞內部或者之間電信號的開關，達到神經修復的作用。

比如今年哈佛大學的一個研究組制作了一個可以操控線蟲的計算機系統——通過激光刺激培養皿中自由游動的線蟲的單個神經元，可以讓它們開始或停止游動，給它們被撫摸的感覺，甚至可以促使它們產卵。

具體而言就是通過瞄準精度高達30微米的激光束，來激活或抑制單個神經細胞的活動，他們將顯微鏡放在一個專門定做的試驗臺上，來跟蹤線蟲在培養皿里的活動，同時還編寫了一個程序，通過分析顯微鏡中的圖像來鎖定目標神經細胞的位置，然后瞄準細胞，發射激光束。

除此之外，還有其他研究小組已經用光遺傳學技術控制過固定不動的線蟲的單個神經元。斯坦福大學的研究人員就通過光遺傳學技術對精心挑選的神經元的電活動進行控制。

到目前為止，要刺激特定的神經元，通常只能依靠電脈沖這種不精確和難以控制的技術。而光遺傳學技術則可讓研究人員使用一種新的光控方法高度精確地對神經元進行刺激，同時還能按照意愿控制神經元的開合。

斯坦福大學的研究人員先將這些小鼠神經元改造得對光非常敏感，然后通過植入的光纖，用藍色光照亮位于大腦杏仁核區域的一個特定神經回路。杏仁核是大腦中應對恐懼、侵略等基本情緒的核心部位，也是嚙齒類動物控制焦慮的部分。結果顯示，這些本來因恐懼而退縮到角落的小鼠開始勇敢地探索周圍的環境。

這說明未來也許可以通過調控神經元，來治療包括焦慮癥和帕金森氏癥在內的一系列神經紊亂疾病。

與其它技術聯用

光學遺傳學在研究上的重要性與日俱增，尤其是當它與其他技術結合使用時。近年來，神經科學因功能性磁共振造影（fMRI）而有長足進展，雖然一般認為這種掃描技術能偵測各種刺激下神經線路的活動，但嚴格說來，fMRI只能顯示腦部不同區域血氧濃度的改變，而這些改變不過是神經活性的一個指標。

來自斯坦福大學，光遺傳技術的發明者Karl Deisseroth的研究組在2010年結合光學遺傳學和fMRI，驗證了局部刺激神經元活化足以誘發在fMRI偵測到的複雜訊號，研究人員還能準確并完整記錄到執行功能的神經線路，這是過去使用電極或藥物辦不到的。這說明通過光學遺傳學，可以檢測并促進神經科學和精神病學豐富文獻中的研究。

臨床應用

當然現在說用于人體實驗還為時尚早，但是已經有一些研究成果已經開始逐漸走向臨床應用。

比如，斯坦福大學神經病專家Amit Etkin正在努力促進有關嚙齒類動物焦慮癥研究成果的轉化，以利用現有工具改善人類相關疾病的治療。他采用的是經顱磁刺激技術，希望能夠像激活小鼠大腦杏仁核區域的神經回路從而減輕它們的焦慮癥狀那樣來激活人腦中類似的回路。雖然這種技術不如光遺傳學技術有針對性，但卻具有非侵入性的優點。

另外神經科學研究員Krishna V. Shenoy正在靈長類動物身上開展光遺傳學研究。在最近的一次實驗中，他帶領的研究小組用病毒作為載體將視蛋白插入了恒河猴的大腦，從而能夠借助光來控制選定的神經元，而植入光纖和病毒都沒有對這些恒河猴造成不良影響。

Shenoy表示，光遺傳學技術在開發新設備用以治療創傷性腦損傷和神經修復方面將大有潛力。美國國防部高級研究計劃局最近便宣布了一項旨在運用光遺傳技術幫助傷殘老兵的計劃，Shenoy也是該項目組研究成員之一。“當前的系統可以讓假肢觸及杯子，但由于缺乏人造觸覺，假肢很難將杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子。”他說，“利用光遺傳學技術，通過位于假肢指尖的傳感器將信息直接傳遞回大腦，原則上可以提供一種高保真的人造觸覺。”

無論如何，光遺傳學開辟了一個讓人激動的新研究領域，一些研究人員已經開始設想，如果能夠克服生物醫學的挑戰，確保新基因安全地遞送到人體內，基于光遺傳學的治療方法將直接應用于人類。