光遗传学，操控神经细胞的新工具Comments>>王永亭发表于2013-06-1306:50|Tags标签：光遗传学,原创,脑细胞【图片出处：web.mit.edu】在电影《黑衣人》中，特工处理完外星人出没现场之后都会掏出一个发光棒，让围观群众“往这儿看”，然后强光一闪，围观者的短时记忆就被抹去，不再记得见过奇怪外星生物的经历。真的有这样的技术，能够用光来控制大脑吗？简短的答案是，有。但是可能没有电影里表现的那么简单。大脑就像由许许多多个电子元件构成的一个复杂的电路，每一个神经细胞都像是一个电子元件，所以又被称为“神经元”。目前认为，大脑中大约有1000亿个神经细胞，每个神经细胞可以与其它神经细胞产生大约1000个联系，从而构成了极其复杂的神经网络。神经细胞的细胞膜上有许多种蛋白质，有的蛋白质可以控制钠、钾等离子在细胞内外的浓度，被称为“离子通道”；还有的可以接受其它神经细胞释放的神经递质信号，被称为“神经递质受体”。它们调控了神经细胞的兴奋或抑制，就像电路的开关。虽然神经科学在过去的二三十年中取得了非常快速的发展，但是，离我们完全地了解大脑的工作原理还有很远。这其中的原因之一是我们很难把大脑中不同种类的神经细胞区分开来，实时地在活体动物中研究它们在大脑行使功能时的作用。近几年，一种新的技术“光遗传学”为研究大脑中特定细胞的功能提供了新的工具。通过对神经细胞的“修饰”，科学家们已经可以自由地控制这些神经细胞的“开”或者“关”。由于用来修饰神经细胞的蛋白质是一种光感蛋白，所以这项新的技术被称为“光遗传学”。光遗传学通过把一个能够感受光刺激的离子通道蛋白的基因转入神经细胞，使神经细胞在它的细胞膜上表达这种蛋白，然后用光来控制这种蛋白的开放或关闭，从而控制神经细胞的兴奋或者抑制。目前被最广泛使用的感光离子通道蛋白基因是从单细胞藻类中分离出来的，这种蛋白在特定波长的光激发下会打开它的通道，允许钠、钾、氢等离子通过，并可以产生动作电位，使神经细胞兴奋。此外，一些其它的光感通道蛋白以及经过蛋白质工程改造的光感蛋白也开始被应用起来，这不仅使我们能够控制神经细胞兴奋，也可以使已经兴奋的神经细胞沉默，并且可以用不同波长的光来调控不同种类的神经细胞。不同的神经细胞具有不同的功能，这种“特异性”是通过不同的蛋白质来实现的。每一种蛋白质都是人体按照基因组DNA上的遗传信息“表达”出来的。实际上，每种神经细胞中都含有完整的基因组DNA，那么人体是如何控制表达出某个蛋白，而不表达出另一个蛋白呢？原来，DNA序列中还有一些片段叫做“启动子”，由它们来调节一个基因是不是要表达。利用这个原理，可以把感光蛋白的基因“插入”到特定的启动子后面。这样，光感蛋白就会按照我们的要求在特定的细胞中表达。我们要研究哪一种类型的神经细胞在动物特定行为中的作用，就只在那种细胞中表达光感蛋白，然后用光来控制它的开关。特异性表达的能力给了光遗传学技术空间上的准确性。为什么空间准确性这么重要呢？以下丘脑为例，这个杏仁大小的结构由多种神经细胞构成，参与诸如睡眠与情绪调节等多种复杂的功能。如果使用药物或者电刺激下丘脑区域，可能对下丘脑的所有功能同时产生影响，从而难以搞清到底是哪种神经细胞受到了影响。而利用光遗传学技术，就可以只标记一种神经细胞类型，从而有可能实现对某一特定功能的调节。此外，药物需要一定的时间来发挥作用，而光感蛋白对光刺激的反应可以在毫秒级别实现，而在停止光刺激之后离子通道又能快速关闭，从而使时间上的高分辨率也成为可能。那么，这项技术有什么用呢？首先，如前面提到的，通过控制单一种类神经细胞在整体动物中的活动，我们可以了解这一类神经细胞的特别功能，并且通过监测它周围细胞的活动，来了解神经回路的工作机制。对脑中各类神经元的具体工作机制的了解将使我们可以回答很多以前不能够回答的问题，尤其是了解抑郁症、孤独症、成瘾、帕金森病等疾病的机制。目前，对活体动物的大脑进行光刺激还依赖于光纤的植入，多数的研究还处于实验室阶段。但是，可以预见这一技术将有很广的应用前景。图片出处：http://lumencor....
