光遺傳學(xué) – 用光控制細(xì)胞和動(dòng)物

利用光遺傳學(xué)技術(shù)，研究人員只需使用光(通常來自激光器)就能激活、失活和操控神經(jīng)細(xì)胞。

三百多年前，路易吉·伽伐尼發(fā)現(xiàn)青蛙的腿在通電后會(huì)產(chǎn)生抽搐。 這是因?yàn)樯窠?jīng)細(xì)胞(神經(jīng)元)是通過產(chǎn)生電脈沖來工作的，電脈沖沿著每個(gè)神經(jīng)元傳遞。 電脈沖被稱為“動(dòng)作電位”。

在過去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，科學(xué)家們一直使用微型電極向神經(jīng)元施加電脈沖，使神經(jīng)元按指令發(fā)射脈沖。 他們利用這個(gè)過程，來研究某些神經(jīng)元是如何連接在一起的，并且判斷出大腦的不同部分對(duì)身體的相應(yīng)位置的控制。

但是，大腦不僅僅控制身體運(yùn)動(dòng)。 它還可以思考、記憶并處理來自感覺器官(眼睛、耳朵等)的所有傳入信號(hào)。 大約 25 年前，我們還不太了解大腦如何執(zhí)行最普通的任務(wù)，比如回憶一個(gè)名字或記起朋友的面容。

現(xiàn)在，情況大不一樣了。 科學(xué)家們使用各種工具和技術(shù)來研究動(dòng)物的大腦。 尤其是老鼠，經(jīng)常被用作測(cè)試對(duì)象，因?yàn)樗且环N哺乳動(dòng)物，其大腦的基本結(jié)構(gòu)與人類相似。

光遺傳學(xué)點(diǎn)亮神經(jīng)科學(xué)研究

光遺傳學(xué)是神經(jīng)科學(xué)家使用的最新研究方法。 它使用光而不是電極來刺激神經(jīng)。 為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，科學(xué)家們使用了一種稱為視蛋白的特殊蛋白質(zhì)分子。 這種蛋白質(zhì)在受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)。

2005 年，神經(jīng)科學(xué)家 Karl Deisseroth、Ed Boyden 和他們的同事表示可以對(duì)動(dòng)物(包括小鼠)進(jìn)行基因工程，開發(fā)包含視蛋白的神經(jīng)細(xì)胞，使動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞對(duì)光刺激變得敏感。 更重要的是，他們可以精確地操控神經(jīng)細(xì)胞，準(zhǔn)確地選擇哪種類型的神經(jīng)細(xì)胞“表達(dá)”哪種視蛋白。

因此，現(xiàn)在只需將某種顏色的光照射在活鼠上，就可以刺激它們的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)射電脈沖，而不是通過物理方式用電極刺激神經(jīng)細(xì)胞。 或者，可以使用不同的視蛋白，對(duì)其照射另一種顏色的光進(jìn)行刺激，讓神經(jīng)細(xì)胞停止發(fā)射電脈沖。 這就是光遺傳學(xué)。

激光器為光遺傳學(xué)提供光源

光遺傳學(xué)的最大優(yōu)勢(shì)在于，光是一種非接觸式可選擇性工具，其干擾性遠(yuǎn)低于物理電極。 并且光可以快速地移動(dòng)，不會(huì)傷害受試動(dòng)物。 另外，如果使用激光，可以聚焦到一個(gè)小點(diǎn)，使大腦特定部位的神經(jīng)細(xì)胞受到激活或去激活。

先進(jìn)的光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)使用超快激光器，例如 Coherent Monaco。 超快激光器的優(yōu)勢(shì)在于，它們可以利用多光子激發(fā)的效應(yīng)，選擇性地激發(fā)小鼠大腦的單個(gè)神經(jīng)元。此外，激光器發(fā)射的紅外光可有效穿透大腦皮層。

越來越多的神經(jīng)科學(xué)家推出由計(jì)算機(jī)算法控制的神經(jīng)元多點(diǎn)激發(fā)模式。 這種模式能夠刺激數(shù)百個(gè)精確定位的神經(jīng)元，分析它們?nèi)绾蜗嗷プ饔谩?這項(xiàng)技術(shù)需要使用多光子激發(fā) (MPE) 顯微技術(shù)，借助如 Coherent Axon 、 Chameleon 系列及 Monaco 激光器。

最終，神經(jīng)科學(xué)家可以實(shí)時(shí)測(cè)量出相互作用和傳遞信號(hào)的神經(jīng)元數(shù)量。 在人們首次認(rèn)識(shí)到神經(jīng)細(xì)胞通過電脈沖工作近 250 年后，科學(xué)家們終于弄清楚了老鼠的大腦是如何決定向右轉(zhuǎn)還是向左轉(zhuǎn)。 現(xiàn)在，如果我們能記住我們把車鑰匙放在哪里了……

審核編輯 黃宇