當Karl Deisseroth第一次用光控制培養皿中的腦細胞時，人們有很多問題，特別是這三個：這項技術能應用于活體動物嗎？它能針對不同的細胞類型嗎？它能在不把光源植入大腦的情況下工作嗎？

在2004年那次開創性的實驗之后的幾年里，Deisseroth的團隊和其他人找到了前兩個問題的答案：是的，沒問題。近日，他們用另一個肯定的答案回答了第三個問題，成功地推出了一種無植入物的技術 -- 首次證明了光遺傳學結合光和基因工程來控制腦細胞，無需手術就能精確地打開和關閉細胞。

“這是16年來研究的一個很好的總結，”斯坦福大學的神經科學家和生物工程師Deisseroth說，“我們花了很多年的時間才弄清楚如何讓它工作?！痹撗芯康木唧w成果發表在近日的Nature Biotechnology雜志上。

光遺傳學包括對動物大腦進行基因工程，在神經元膜中表達一種叫做視蛋白的光敏蛋白。視蛋白對光脈沖的反應既可以誘導神經元“點火”，也可以抑制神經元的激發能力。光遺傳學已經被用于繪制大腦路徑圖，識別復雜行為是如何被調節的，在老鼠身上產生錯誤記憶等等。在其他技術中，它也被用于開發光基因起搏器。

大多數時候，獲得大腦內部的光脈沖來控制細胞需要有侵入性的植入物：從栓系的光纖到胡椒粒大小的無線植入物，再到可伸縮的脊柱植入物。

今年4月，Guoping Feng和麻省理工學院的同事與Deisseroth一起演示了一種微創的光遺傳學系統，該系統需要在頭骨上鉆一個小孔，然后利用藍光控制6毫米深的表達視蛋白的神經元。這種方法使用了一種視蛋白，它以一種循序漸進的方式緩慢激活神經元。

在最近的一項研究中，Deisseroth和他的同事們試圖在不進行手術的情況下實現深度和快速的光遺傳學。斯坦福大學的研究小組在老鼠的腦細胞中表達了一種叫做ChRmine（發音像深紅色的“胭脂紅”）的強效視蛋白，該蛋白是去年Deisseroth的研究小組在一種海洋生物中發現的。然后，他們在顱骨外面發出紅光，激活中腦和腦干的神經回路，深度可達7毫米。科學家們關掉了毫秒級的精密電路。Deisseroth表示：“這真的很好，比我們預期的要好得多。”

該小組隨后測試了該系統的有效性。在一個例子中，他們用光快速而精確地阻止了小鼠的癲癇發作，而在另一個例子中，他們通過激活產生血清素的神經元來促進小鼠的社交行為。

大多數光遺傳學技術都是用針頭將帶有視蛋白基因的病毒直接注射到大腦中。為了避免這種情況，斯坦福大學的研究小組使用了加州理工學院開發的一種可以注射到血液中的PHP病毒。然后病毒穿過血腦屏障，將其有效載荷視蛋白基因傳遞給腦細胞。在這種情況下，即使是基因的傳遞也是無創的，沒有針頭穿透大腦。

Deisseroth的團隊現在正在魚身上測試這種非侵入性技術，并與其他人合作將其應用于非靈長類動物。他們還與西雅圖的Allen研究所合作，開發細胞中含有氯胺的老鼠品系。“我們希望這些將是一個廣泛可用和適用的研究工具，”Deisseroth說，“我們很高興能與大家分享這種能力?！?/p>

責任編輯：lq