光遗传学——大脑说：“要有光。”
研究者们发明了利用光线来刺激神经元的新工具。这项发明让我们能够更好地绘制脑内神经元的连接，并有望抗击失明、疼痛与癫痫。
DYANI LEWIS
封面：EERO LAMPINEN
2004年夏天的一个深夜，斯坦福博士生艾德•博伊登（Ed Boyden）将一束蓝光打到了转基因大鼠的一个神经元上。令他欣喜的是：这束蓝光成功地激发了这个神经元。
“那时应该是凌晨一点了。一切感觉就像奇迹一样。”博伊登回忆道。那天之后，他就在麻省理工学院创建了自己的生物工程实验室。
艾德•博伊登（Ed Boyden）
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图片来源：JUSTIN KNIGHT
事实证明，博伊登开创性的实验将神经科学带入了一个新时代。仅仅用光线就能够让神经元产生冲动——这让研究者们对大脑的运作拥有了前所未有的控制。
这项名叫“光遗传学”（optogenetics）的技术赋予了科学家们极大的能力——自那之后，明白860亿个神经元中的任何一个对我们的影响，已不再是痴人说梦。这项技术的潜在应用也非常广泛：研究者们想要将光遗传学从实验室带到诊所，以望治疗失明、慢性疼痛和癫痫等疾病。
跟博伊登合作的是另一个名叫卡尔•戴塞尔罗斯（Karl Deisseroth）的研究生，他在斯坦福大学也已经拥有自己的实验室。他们并不是第一个想到要制造光敏神经元的团队——早在1999年，诺贝尔奖获得者弗朗西斯•克里克（Francis Crick）就猜想道：“理论上来说，分子生物学家们应该能够让任何一类细胞变得光敏”（1999）。
虽说如此，但是在新世纪的前几年发展出来的其他技术都既笨重，又不可靠——只有博伊登和戴塞尔罗斯的技术才能算是第一个真正的成功（Boyden, Zhang, Bamberg, Nagel, & Deisseroth, 2005）。
— JOHN B. CARNETT
一般来说，能够导致神经元产生冲动的，只有神经元细胞膜上离子通道（ion channels）的开合——这些离子通道可以让带电荷的离子进出细胞。戴塞尔罗斯和博伊登则另辟蹊径，想要让他们的大鼠神经元同时也能被光线激发。这项技术中的核心一环则是一种叫做“光敏感通道”（channelrhodopsins）的光敏蛋白[1]。光敏感通道能被光线打开，因而导致神经元发射出电信号。
— Openoptogenetics
在自然环境中，研究者们可以在单细胞的藻类和其他微生物中找到光敏感通道。将光感和电信号联系起来可以让这些微生物向有光处游动。
大多数的光敏感通道都只能在这些微生物生活的环境里工作，因为它们对盐分浓度有着很高的需求。但就在2003年，科学家在一种名叫“莱茵衣藻”（Chlamydomonas reinhardtii）的淡水藻类身上找到了光敏感通道（Nagel et al., 2003）。戴塞尔罗斯和博伊登随即着手将它塞进神经元中。
不过博伊登明白：神经元是一种很脆弱的细胞。“你看着它们的时候还觉得他们巨酷哇，然后下一秒他们就死光了，”他说，“所以我们当时也不确定到底能不能成功。实话说，这真的是个运气问题。”
当光敏神经元的具体细节在2005年发布时，大部分研究者都不觉得博伊登等人的“运气”能够持续下去。“当时大家都持怀疑态度，”博伊登说。
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光遗传学美于其精准性；研究者们现在终于可以将单个神经元的功能分离出来了。
尽管如此，一小撮实验室很快就发挥出了光遗传学的潜力——这种新技术使得研究者们可以精准地激发活体动物脑内的神经元群落。神经科学发展至今，这是研究者们第一次能够将单个神经元和它控制的行为联系起来。在2007年，戴塞尔罗斯的实验室成功利用一根植入小鼠脑内的光导纤维，用一道蓝光唤醒了处于嗜睡态（narcoleptic）的小鼠（Adamantidis, Zhang, Aravanis, Deisseroth, & de Lecea, 2007）。
自发明至今，光遗传学的工具库也日渐庞大。博伊登和戴塞尔罗斯率先使用的那一套方法屡试不爽[2]，研究者们逐渐研发出了各种不同的光敏感通道。这些通道可以分别被不同颜色的光打开，有些通道甚至可以抑制，而非激发神经元的活动。
卡尔•戴塞尔罗斯（Karl Deisseroth）
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图片来源：STEVE FISCH/STANFORD SCHOOL OF MEDICINE
就这样，光遗传学技术迅速变成了世界各地脑科学实验室的标配之一。2010年，光遗传学被《自然：方法论》评为了“年度方法”（Method of the Year）；同年，《科学》杂志也将它选作了“十年洞见”（Insight of the Decade）之一。与此同时，迅猛发展的光遗传学也为戴塞尔罗斯、博伊登等光遗传先驱们带来了许多大大小小的奖项。
“光遗传学真的很重要，这也是大批实验室开始使用这项技术的原因。”墨尔本弗洛里神经科学与精神健康研究所神经网络实验室的负责人露西•帕尔默（Lucy Palmer）说。
在光遗传时代之前，神经科学家们研究各个脑区的功能（例如记忆、性格、动作控制等等）的手段非常有限。而光遗传学美于其精准性；研究者们现在终于可以将单个神经元的功能分离出来了。研究者们可以让特定的光敏感通道只在拥有特定基因标签的神经元中表达出来，而这些神经元则可以根据其表达的光敏感通道而被集体性地抑制或激发。“我们终于可以控制一整个脑区了。”帕尔默说。
用光遗传技术来激发神经元还有速度上的巨大优势——而速度，对于神经网络的研究来说，是至关重要的。药物通常需要几分钟，甚至几小时，才能改变神经活动；相比之下，用光线激活含有光敏感通道的神经元，则只需要几毫秒——就跟在自然界中发生的一样。这也就意味着，神经元几乎可以被瞬时激发或抑制，以便研究者们调查这些神经元的功能和连接。
科学家们已经用光遗传技术来进行未曾可想的研究了。记忆的神经学理论终于能够找到直接证据（Nabavi et al., 2014），而复杂行为与情感，例如强迫性理毛（Ahmari et al., 2013），恐惧（Redondo et al., 2014），抑郁（Ramirez et al., 2015）以及杀欲（Han et al., 2017）等行为，也终于可以被人工激发或抑制了。
“
神经元几乎可以被瞬时激发或抑制，以便研究者们调查这些神经元的功能和连接。
除了大脑，光遗传学还逐渐揭开了人体其他器官的面纱。最近几年，研究者们已经开始将光遗传技术应用到了神经系统之外的细胞中，在心脏和声带等器官中制造出了光敏肌肉细胞（心脏：Bruegmann et al., 2010；声带：Bruegmann et al., 2015）。
随着光遗传技术在实验室中的角色日益重要，少数新公司也开始发展各种为医疗服务的光遗传疗法。潘卡杰•萨阿（Pankaj Sah），澳大利亚布里斯班市昆士兰脑研究所（Queensland Brain Institute）的主任，认为这是一个必然的结果。“如果你知道癫痫症患者体内的哪些细胞导致了癫痫，而且一旦症状显现，就能够（利用光遗传技术）抑制这些细胞，那么几乎就可以说你已经治愈了这个患者的癫痫了。”他说，“而且这种技术也不需要患者每天服用药物。”
但是，光遗传技术的人体应用也面对着不小的挑战。目前，在实验室中使用的光遗传技术的侵入性非常高：科学家们首先要利用基因疗法，通过病毒运载体将光敏感通道“种植到”脑中的某些细胞里；然后，如果要激发这些细胞，还需要找到一个能够发出激发光线的方法——通常来说，小鼠实验中的激发方法都是将光纤直接插入脑内的。
萨阿认为：既然我们都已经有了“脑深部电刺激手术”这种直接将电极植入脑内的神经疗法（通常用来治疗帕金森氏症中的震颤），那么把光导纤维植入脑内其实也是可以解决的问题。
一项曾经宣告失败的临床试验，仍然有望挽救抑郁症患者？
用DBS治疗抑郁症的一项早期试验曾面临中止和质疑。尽管它不能告诉我们太多有关治疗本身的问题，但它揭示了临床试验不断变化的本质。
而且，目前的创新型疗法也并没有那么高的侵入性，例如位于都柏林的爱力根（Allergan）公司和位于巴黎的GenSight Biologics公司。这两个公司已经开始了利用光遗传技术来治疗视网膜色素变性型失明（retinitis pigmentosa）的临床试验。这种病症会摧毁视网膜中的感光细胞，而这种光遗传疗法的目标则是通过在感光细胞的下级细胞——一种叫做“视网膜神经节细胞”（retinal ganglion cells）的神经元中——植入光敏感通道。在一般情况下，视网膜神经节细胞对光线是不敏感的；但是通过使用病毒运载体，在这些细胞中植入光敏感通道之后，它们就可以被转化成光敏细胞。就在2017年，利用猴子（恒河猴，参见Chaffiol et al., 2017——译者注）进行的临床试验显示，光遗传技术能够成功恢复猴子视网膜的感光性。
这项疗法虽然不能完全恢复视力，但还是能让患者们看见足以让他们正常生活的光线强度。
与此同时，其他公司也在探寻光遗传技术在外周神经元中的应用，以图用侵入性不那么高的方法来治疗疾病。其中一家叫作“电路医疗”（Circuity Therapeutics）的公司则正在猪身上测试一种可塑性很高的LED皮肤光板，想要以此来阻止周边神经元向大脑传递痛觉信号（Reardon, 2016）。
光遗传学的另一个潜力在于：它还可能可以被用于治疗焦虑症、抑郁症和精神分裂。
但要做到这些，我们首先要弄清楚这些疾病的大脑通路。
目前，光遗传技术的用武之地则是揭开大脑内的各种因果关系。
“我坚信的是：我们想要做的，就是加速基础科学的进步，以此明白我们正在做的。”博伊登这样说道。
译注[1]：原文写得有点不清楚：光敏感通道也是离子通道的一种，而全部离子通道都属于蛋白质。
译注[2]：这里讲的是光敏感通道设计。对此，Mattis et al.（2011）做了很好的总结。目前设计出的光敏感通道主要有三类：第一类通道是利用光敏感通道-2的原初形态，加以点突变，以达到改变单个氨基酸的效果（例如能够在低光度情况下被高效激活的ChR2-T159C/E123T）；第二类通道将光敏感通道-1的某些部分和光敏感通道-2的某些部分结合在一起；第三类通道则将光敏感通道-1和在团藻（Volvox carteri）中发现的光敏感通道变体（VChR1）结合在一起。这些不同的光敏感通道可以允许研究者们用不同的方法激活神经元。
参考文献
1.Adamantidis, A. R., Zhang, F., Aravanis, A. M., Deisseroth, K., & de Lecea, L. (2007). Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons. Nature, 450(7168), 420–424. https://doi.org/10.1038/nature06310
2.Ahmari, S. E., Spellman, T., Douglass, N. L., Kheirbek, M. A., Simpson, H. B., Deisseroth, K., … Hen, R. (2013). Repeated cortico-striatal stimulation generates persistent OCD-like behavior. Science (New York, N.Y.), 340(6137), 1234–1239. https://doi.org/10.1126/science.1234733
3.Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., & Deisseroth, K. (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience, 8(9), 1263–1268. https://doi.org/10.1038/nn1525
4.Bruegmann, T., Malan, D., Hesse, M., Beiert, T., Fuegemann, C. J., Fleischmann, B. K., & Sasse, P. (2010). Optogenetic control of heart muscle in vitro and in vivo. Nature Methods, 7, 897.
5.Bruegmann, T., van Bremen, T., Vogt, C. C., Send, T., Fleischmann, B. K., & Sasse, P. (2015). Optogenetic control of contractile function in skeletal muscle. Nature Communications, 6, 7153.
6.Chaffiol, A., Caplette, R., Jaillard, C., Brazhnikova, E., Desrosiers, M., Dubus, E., … Dalkara, D. (2017). A New Promoter Allows Optogenetic Vision Restoration with Enhanced Sensitivity in Macaque Retina. Molecular Therapy, 25(11), 2546–2560. https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2017.07.011
7.Crick, F. (1999). The impact of molecular biology on neuroscience. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 354(1392), 2021–2025. https://doi.org/10.1098/rstb.1999.0541
8.Han, W., Tellez, L. A., Rangel, M. J., Jr., Motta, S. C., Zhang, X., Perez, I. O., … de Araujo, I. E. (2017). Integrated Control of Predatory Hunting by the Central Nucleus of the Amygdala. Cell, 168(1), 311-324.e18. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.027
9.Lewis, D. (2018, April 20). Optogenetics: understanding the brain, one flash of light at a time. Retrieved from https://cosmosmagazine.com/biology/optogenetics-understanding-the-brain-one-flash-of-light-at-a-time
10.Mattis, J., Tye, K. M., Ferenczi, E. A., Ramakrishnan, C., O’Shea, D. J., Prakash, R., … Deisseroth, K. (2011). Principles for applying optogenetic tools derived from direct comparative analysis of microbial opsins. Nature Methods, 9, 159.
11.Method of the Year 2010. (2010). Nature Methods, 8, 1.
12.Nabavi, S., Fox, R., Proulx, C. D., Lin, J. Y., Tsien, R. Y., & Malinow, R. (2014). Engineering a memory with LTD and LTP. Nature, 511, 348.
13.Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., Berthold, P., … Bamberg, E. (2003). Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 100(24), 13940–13945. https://doi.org/10.1073/pnas.1936192100
14.Ramirez, S., Liu, X., MacDonald, C. J., Moffa, A., Zhou, J., Redondo, R. L., & Tonegawa, S. (2015). Activating positive memory engrams suppresses depression-like behaviour. Nature, 522, 335.
15.Reardon, S. (2016). Light-controlled genes and neurons poised for clinical trials. Nature. https://doi.org/10.1038/nature.2016.19886
16.Redondo, R. L., Kim, J., Arons, A. L., Ramirez, S., Liu, X., & Tonegawa, S. (2014). Bidirectional switch of the valence associated with a hippocampal contextual memory engram. Nature, 513, 426.
17.Stepping Away From the Trees For a Look at the Forest. (2010). Science, 330(6011), 1612. https://doi.org/10.1126/science.330.6011.1612
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翻译：octavarium1999
校对：顾金涛
编辑：EON
原文：https://cosmosmagazine.com/biology/optogenetics-understanding-the-brain-one-flash-of-light-at-a-time
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