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大脑的光控开关 王飞

发布时间:2019-07-03

  大脑作为人体的司令部,控制着我们的一言一行。如果能够控制人的大脑,我们就可以改变人的思维,控制人的行为了。看似不可实现的想法,科学家们早已经迈出了第一步。他们不需要咒语,不需要魔杖,只需要通过一束光,就可以让动物的行为发生变化。这可不是什么天方夜谭的魔术,这项高大上的新兴技术叫做光遗传学(Optogenetics)! 

  光遗传学就是用特定的光作为控制信号,用遗传学的方法在大脑中安装一个光控的开关。当光一打开,大脑中某个脑区的开关就打开了,大脑的某项功能就开始运作。这就像我们家里的遥控器,我们可以用遥控器发出的红外光控制电视的打开。当然,这个开关可以安装在大脑的不同的部位,负责不同的功能,就像不同的遥控器负责不同的电器一样。 

  这种光控开关其实是一种光敏感通道蛋白( Channelrhodopsin-2 ,简称 ChR2 )。这种蛋白质可以“看到”蓝光,当这些蛋白质“看到”蓝光时,形状就发生变化,变成一个可以让离子通过的通道。在神经元的周围有很多带正电的离子,当离子通道打开时,这些阳离子就会迅速通过离子通道流进细胞的身体内。这些离子就像兴奋剂一样,能够让神经元兴奋起来(图1)。 

  这样,光就成了神经元的指挥棒了,神经元就可以像灯泡一样被打开或者关闭。通过蓝光激活光感受蛋白并使神经元兴奋,进而控制大脑,这就是光遗传学的原理。 

    

    1 细胞膜上的光敏感通道蛋白 

  给大脑装上光控开关,这么巧妙的技术是谁发明的呢? 

  当然是我们的大自然了。其实在神经元家族中,有种特殊的细胞可以看到光,而且可以将光信号转换成电信号,将信息传递到大脑。它就是眼睛里的光感受器细胞,在这种神经元身体中有一种能够感光的蛋白质,叫做视紫红质( Rhodopsin )。正是因为这个可以感光的开关,光感受器细胞就可以受光的控制(图2)。 

 

  2 光感受器细胞和视紫红质(引自The Journal of Neuroscience,201333(41):16045–16059 

  但是,在我们大脑中的神经元,并没有视紫红质的表达,所以它们看不见光,也不会受到光的控制。几百年来,科学家们苦苦寻找控制脑中神经元的方法,虽然他们已经可以通过电流来刺激神经元兴奋,或者通过一些药物来失活神经元的活动,但是这些方法都有很大的局限性,比如不能实现对特定种类神经元的精准操控。 

  直到有一天,美国的Karl Deisseroth教授,将眼睛看东西的原理应用到了大脑中的神经元里。他将光敏感的通道蛋白表达到小鼠大脑的神经元里,这就相当于给大脑中的神经元装上了眼睛。然后通过植入大脑内部的光纤给特定脑区的神经元倒导入激光,这就实现了对特定脑区的光刺激。这样,他就可以用光控制大脑中神经元的活动了。 

  他到底是怎么做的呢?那就让我带你们走进实验室,近距离地观察下这项高精尖技术吧。 

  一般来说,用光遗传学方法控制小鼠包括四个步骤(图3)。 

  首先,我们需要通过遗传学的方法将光敏感通道蛋白表达在大脑的神经元里。我们可以通过利用已经表达有光遗传通道蛋白的转基因小鼠,当然也可以通过病毒注射的方法将这种蛋白表达在神经元上。  

   

  3 在小鼠脑内表达光敏感通道蛋白(张赫 孙新尧 绘制) 

  之后我们还需要将蓝光光纤插入到小鼠的特定脑区。大脑的不同脑区负责不同的功能。例如,后脑勺的枕叶负责视觉,耳朵附近的颞叶负责听觉。所以,我们用蓝光激活不同脑区的神经元时,就会开启大脑不同的功能。  

   

  4 在小鼠特定脑区插入光纤(张赫 孙新尧 绘制) 

  然后,我们打开蓝光,神经元上的光敏感通道被打开。当阳离子进入神经元,神经元就会兴奋,这种神经元负责的功能就会开启。光遗传学技术的一个优势就是,它能够让光敏感通道蛋白只表达在特定种类的神经元中,进而使得科研人员能够操控特定种类的神经元。 

   

  5 打开蓝光激活特定神经元 

  最后,我们观察小鼠在给光和不给光时行为的变化,就知道小鼠如何被我们控制了。例如,我们激活负责进食的神经元,小鼠就会不停地进食。这样,小鼠的进食行为就 

  仅仅受小鼠自己的大脑控制了,我们也可以轻松的控制小鼠的行为了。 

   

  6 观察光刺激时小鼠的行为 

  光遗传学技术不仅在科学研究上大放异彩,在治疗神经类疾病时,也展现了巨大的潜力。最直接的应用之一就是治疗由于视网膜病变引起的视力下降。来自美国麻省理工学院的 Ed Boyden 教授在用光遗传学技术治疗眼疾方面做出了杰出贡献。在视网膜退化的小鼠模型里,他们试图将光敏感通道蛋白表达在本来不感光的双极细胞中。这样,当视网膜中能够感光的光感受器细胞退化后,大脑仍然可以利用双极细胞来看到外面的世界。当然,这个想法不会只停留在治疗眼盲小鼠上,科学家们已经想到通过光遗传学技术治疗很多种神经类疾病了 

 

  7 光遗传学在科研和实际中的应用 

  科学技术在不断的进步,不断地打破人类的认识局限。就如光遗传学一样,一下子让我们感觉好像控制人的大脑已经变得触手可及了。其实每项技术的诞生到应用,需要很多年很多人的努力才能最终普及开来。而且任何现在看似先进的技术,都有其局限性。在不久的将来,光遗传学技术也可能会被无情的淘汰,也一定会有更加让人意想不到的技术诞生出来。所以,在我们对这项技术欢欣鼓舞的同时,也应该知道没有一项技术是完美的。切不要盲目认为,有了光遗传技术,我们就可以真的控制人的大脑了,整个世界将变得不可控制。也不能盲目乐观的认为很多疾病能够一下就治好了。神经类疾病有着复杂的发病机理,仅仅通过一项手段或者一种药物,是不能治愈的。我们只能期盼科学家们能够利用好这项技术,解开更多的大脑未解之谜。 

   (审核:顾勇) 

  参考文献: 

  1.   Theresa Puthussery,Sowmya Venkataramani,Jacqueline Gayet-Primo,Robert G. Smith,and W. Rowland Taylor.(2013).NaV1.1 Channels in Axon Initial Segments of Bipolar Cells Augment Input to Magnocellular Visual Pathways in the Primate Retina.The Journal of Neuroscience,33(41):16045–16059  

  2.   Bernhard Knierim, Klaus Peter Hofmann, Oliver P. Ernst and Wayne L. Hubbell.(2007). Sequence of late molecular events in the activation of rhodopsin.PNAS,104(51):20290-20295  

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