光遗传学:利用光的力量控制神经元

有了诸如“年度最佳方法”和“十年最大突破”这样的荣誉，人们很容易认为光遗传学——一种利用光打开和关闭神经元的科学技术——确实是一项改变游戏规则的技术。这项技术已经显示出治疗失明的前景，¹减轻癫痫,²并研究帕金森病等大脑疾病的遗传原因。^3.它还在美国国立卫生研究院的大脑计划中发挥了重要作用，该计划旨在绘制人类大脑中每个细胞的活动。但是，它是否达到了宣传的效果呢?光遗传学在研究大脑工作原理之外的未来会是什么呢?它还能用于治疗自闭症、创伤后应激障碍和抑郁症等各种疾病吗?

最基本的

光遗传学利用光来控制对光照人为敏感的神经元。在实验室里，科学家们利用病毒将光敏蛋白的基因引入神经元。这些被称为视蛋白的天然蛋白质最初是在微生物中发现的，它们对光有反应。一些蛋白质对光的反应是打开神经元或促使神经元放电，而另一些蛋白质则关闭神经元活动。通过这种方式，光遗传学针对特定的、经过修饰的神经元，以发现它们的功能以及它们在更大的神经元网络中是如何连接的。

2005年，斯坦福大学生物工程教授、霍华德休斯医学研究所成员Karl Deisseroth博士和当时的研究生Edward Boyden博士(现在在麻省理工学院)和Feng Zhang博士(现在也在麻省理工学院)发表了第一篇论文，证明了使用微生物视蛋白基因来控制神经元活动。⁴在2010年,自然方法光遗传学被评为“年度最佳方法”，⁵而且科学称之为“十年的重大突破”之一。⁶

当前的方法

自2005年以来，光遗传学确实取得了长足的进步。作为一种前沿神经科学工具，它最有价值的特点是，它在特定时间影响特定神经元的能力上具有无与伦比的精度。

视蛋白来自于细菌或藻类的基因组，它们在那里发挥着光激活膜离子通道的作用。视蛋白基因通过转染被引入特定的神经元，病毒将该基因及其启动子转移到宿主细胞的基因组中。Deisseroth说:“世界上成千上万的实验室现在正在使用这些光遗传技术，成千上万的论文已经用这些方法发表了。”

有许多工具正在使用，包括工程视蛋白，可以针对单个神经元，神经元组，以及大脑区域之间的连接。经过修饰的视蛋白包括那些被改造来识别不同颜色的光(红色、蓝色或黄色);那些被快速或缓慢激活的;以及那些简单地打开或关闭神经元的电路，从而产生一种具有许多未来应用的二进制电路，例如改变记忆。戴瑟罗斯说，视蛋白靶向策略也使用专门的病毒，只将视蛋白基因插入感兴趣的细胞。“关键时刻是当我们能够解决微生物通道视蛋白的结构时，这使我们能够随意设计它。”^7、8、9

最近，麻省理工学院的Ed Boyden团队开发了一种名为Chronos的“快速”视蛋白，¹⁰以及另外两种对红光敏感的视蛋白，克里斯森和大白鲨，¹¹分别激活和沉默神经元。博伊登指出，这很好，“因为它深入组织”，到达以前由激光组成的标准光纤工具无法触及的区域，这些激光将光发送到非常小的植入光纤。¹²“应用光遗传学的障碍之一是如何将光传递到组织或身体深处，”东北大学(Tohoku University)研究尖端视蛋白工程的神经科学家hiromuyawo博士说。目前主要使用光纤光源;然而，戴瑟罗斯指出，双光子“光点”已经成功地应用于活体动物。

挑战

在展望光遗传学的未来时，重要的是要考虑到它仍处于早期阶段。博伊登说:“我们没有很好的大脑地图，所以用光遗传学来解决许多科学问题是很困难的。”“我们通常不知道在哪里刺激。”

激活深层脑组织也是个问题。亚沃说:“由于可见光被组织吸收，光源必须嵌入其中，以便对深层组织进行光遗传操作。”红外线可以穿透很深，但到目前为止还没有视蛋白对这种光敏感。此外，病毒载体很难应用于人类;神经元的选择性取决于靶向启动子在基因组中的位置。亚沃表示，这些启动子在人类中“大多未被识别”。“即使被识别出来，(基因)往往太大而无法有效传递，或者太弱而不能产生足够数量的分子来产生反应。”

还有成本问题。Deisseroth说:“主要的缺点包括针对大量单独指定的细胞所需的光功率。这需要相当先进和昂贵的激光器。”然而，标准的光遗传学控制“现在实际上是相对容易和便宜的，我们在斯坦福大学开设了培训课程，帮助人们开始，”他说。

应用程序

虽然它主要被用作研究单个神经元如何单独或与其他神经元或神经元回路协同放电的方法，但最近的大量论文已经帮助阐明了许多不同疾病的通路。例如，研究已经证明光遗传学在纹状体中的D1和D2细胞(多巴胺受体类型)上的使用¹³还有丘脑下核¹⁴作为一种探索它们在帕金森病中的作用的方法。其他工作包括发现哪些细胞可以被操纵来改变恐惧记忆，适用于治疗创伤后应激障碍和其他与恐惧反应有关的疾病;¹⁵自闭症神经网络的研究¹⁶并在成瘾等心理健康障碍中测试多巴胺表达和正强化之间的因果关系¹⁷和抑郁。¹⁸临床上，光遗传学理论上可以用于治疗帕金森病、创伤后应激障碍、自闭症、精神分裂症、成瘾和抑郁症等多种疾病。

光遗传学的未来似乎一片广阔。GenSight生物制剂¹⁹该公司由眼科学和光遗传学领域的领军人物创办，旨在利用这项技术治疗由视网膜细胞损失引起的疾病引起的失明，包括青光眼和视网膜色素沉着症。在其他类型的细胞上使用光遗传学已经在研究实验室中获得了一些牵引，心脏细胞和干细胞是一些主要的非神经元目标。它也被用来研究生物化学事件，而不是电学事件，“打开了控制生物学中任何细胞特定事件的大门，”戴瑟罗斯说。根据Yawo的说法，诸如“离子微环境、信号转导、酶活性和基因调控等各种事件现在都是光遗传学的目标。”

光遗传学也正在与其他技术结合使用，以加速从实验室到临床的转化。在最近科学纸,^20.日内瓦大学的科学家们结合使用了深度脑刺激——一种治疗帕金森氏症的有效工具——和一种阻断特定多巴胺受体的药物，在实验室老鼠身上产生了一种“类似光遗传学”的效果。最终，老鼠的可卡因使用量减少了，这强调了在人类身上实现同样效果的可能性，而不必解决应用光遗传学带来的技术障碍。

“未来将继续广泛使用作为一种研究工具，”戴瑟罗斯说，以推进我们对单个神经元如何在更大的电路中发挥作用的理解。的确，当涉及到大脑时，整体比各部分的总和要大得多，光遗传学可能是深入探索的最佳选择，而且是广泛探索的最佳选择。

编者按:听埃德·博伊登讨论他的研究科学家的按需网络研讨会:研究突触发育和功能的新模型和工具。

参考文献

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