大腦的光控開關

出品：中國科普博覽

作者：中國科學院神經科學研究所 王飛

大家好！我是大腦的主人神經元君，今天我要給大家介紹下如何控制大腦。

大腦作為人體的司令部，控制著我們的一言一行。如果我們能夠控制人的大腦，我們就可以改變人的思維，控制人的行為了。看似不可實現的想法，科學家們早已經邁出了第一步。他們不需要咒語，不需要魔杖，只需要通過一束光，就可以讓你的思維發生變化。這可不是什麼天方夜譚的魔術哦，這項高大上的新興技術叫做光遺傳學（Optogenetics）！

神經元君和他的實驗室

光遺傳學就是用特定的光作為控制信號，用遺傳學的方法在大腦中安裝一個光控的開關。當光一打開，大腦中的開關就打開了，大腦的某項功能就開始運作。這個開關可以安裝在大腦的不同的部位，負責不同的功能。就像我們家裡的遙控器，我們可以用紅外光控制電視的打開，也可以用它控制空調的開關。

給大腦裝上光控開關假想圖

這種光控開關其實是一種光敏感通道蛋白（Channelrhodopsin-2，簡稱ChR2）。這種蛋白質可以「看到」藍光，當這些蛋白質「看到」藍光時，形狀就發生變化，變成一個可以讓離子通過的通道。在我們神經元的周圍有很多帶正電的離子，當藍光照射時，這些陽離子就會通過光敏感蛋白通道流進細胞的身體內。這些離子就像興奮劑一樣，迅速地讓神經元興奮起來。這樣，神經元們就可以像燈泡一樣被打開或者關閉，這就相當於給神經系統裝上的光控開關。

下面是光敏感通道蛋白的工作原理，請看動圖。

光敏感通道蛋白工作原理動圖

這樣，光就成了神經元們的指揮棒了。通過藍光激活光感受蛋白並使神經元興奮，進而控制大腦。這就是光遺傳學的原理。

這麼巧妙的想法是誰發明的呢？

當然是我們的大自然了。

其實在我們神經元家族中，有位兄弟可以看到光，而且可以將光信號轉換成電信號，將信息傳遞到大腦。它就是眼睛裡的光感受器細胞，在這位仁兄身體中有一種能夠感光的蛋白質，叫做視紫紅質（Rhodopsin）。正是因為這個可以感光的開關，感受器細胞就可以受光的控制。

下面兩幅圖分別展示的是視網膜中的光感受器細胞及其特有的視紫紅質。是不是很炫酷的樣子！

光感受器細胞和視紫紅質

而在大腦中的神經元們，並沒有視紫紅質，所以它們看不見光，也不會受到光的控制。幾百年來，科學家們苦苦尋找控制神經元的方法，雖然他們可以通過電流刺激神經元，或者通過藥物殺死神經元來控制它們的活動，但是那些方法都太恐怖了。

直到有一天，一位年輕的美國小伙，將眼睛看東西的原理應用到了大腦中的神經元中。他將光敏感的蛋白安裝到大腦的神經元，這就相當於給大腦中的神經元裝上了眼睛。從此以後，大腦中的神經元就看到了更加美麗多彩的世界，腦科學家們也進入了另外一個研究的新時代。

下圖就是那位天才科學家，來自美國斯坦福大學的Karl Deisseroth教授。據說，他現在又在研究一項黑科技，目的是將大腦變透明，以方便科學家們更好地觀察大腦。

Karl Deisseroth教授發明了光遺傳學技術

他到底是怎麼做的呢？那就讓我帶你們走進實驗室，近距離地觀察下這項高精尖技術吧。

大家看，這傢伙就是我們的科研明星小鼠，別看它萌萌噠，控制好它可不是件容易的事情。一般來說，用光遺傳學方法控制小鼠包括四個步驟：

首先，我們需要通過遺傳學的方法將光敏感通道蛋白表達在大腦的神經元里。我們可以通過利用已經表達有光遺傳通道蛋白的轉基因小鼠，當然也可以通過病毒注射的方法將這種蛋白表達在神經元上。

下圖你看到的是一隻小鼠在做美夢的時候，被轉入了光敏感通道蛋白。

光遺傳學基本操作步驟一

之後我們還需要將藍光光纖插入到小鼠的特定腦區。我們知道，大腦的不同腦區負責不同的功能。例如，後腦勺的枕葉負責視覺，耳朵附近的顳葉負責聽覺。所以，我們用藍光激活不同腦區的神經元時，就會開啟大腦不同的功能。

光遺傳學基本操作步驟二

然後，我們打開藍光，神經元上的光敏感通道被打開，神經元就會興奮，神經元通過電信號控制身體的運動。

光遺傳學基本操作步驟三

最後，我們觀察小鼠在給光和不給光時行為的變化，就知道小鼠如何被我們控制了。

光遺傳學基本操作步驟四

現在我們知道了光遺傳學通過光能夠激活神經元進而控制大腦的活動。那麼這項技術到底有什麼用途呢？那就仔細觀察下面這個動畫吧。

David J. Anderson教授通過光遺傳學的方法控制小鼠打鬥

我們看到，小鼠在燈光打開的時候，開始瘋狂地打鬥，而燈光一關閉，它們就馬上恢復了正常。這就是科學家們利用光遺傳學的技術控制小鼠打鬥的例子。

當然，科學家們不只是為了讓小鼠打鬥，他們通過這種方法，研究了負責小鼠打鬥行為的腦區，為我們理解大腦的運作機理提供了有力證據。光遺傳學技術促進了我們對大腦功能的理解，幫助我們了解特定神經元與行為的關係。

光遺傳學技術不僅在科學研究上大放異彩，在治療神經類疾病時，也展現了巨大的潛力。

最直接的應用之一就是治療由於視網膜病變引起的視力下降。光遺傳技術又回到了自己的老家——眼睛裡。來自美國麻省理工學院的Ed Boyden教授在用光遺傳學技術治療眼疾方面做出了傑出貢獻。在視網膜退化的小鼠模型里，他們試圖將光敏感通道蛋白表達在本來不感光的雙極細胞中。這樣，當視網膜中能夠感光的光感受器細胞退化後，大腦仍然可以利用雙極細胞來看到外面的世界。

視網膜退化致盲小鼠模型示意圖

當然，這個想法不會只停留在治療眼盲小鼠上，科學家們已經想到通過光遺傳學和現代電子成像技術治療人類眼科疾病的方法。

通過光遺傳學方法治眼疾的眼鏡假想圖

有了這項強大的技術，我相信不久的將來，例如抑鬱症、老年痴呆症等等這些疾病，都會被治好的。而且一旦科學家們可以有效地控制大腦，那麼很多有關大腦的未解之謎也將一一被揭秘。

神經元君和他的小夥伴們

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