利用光遺傳學技術，研究人員只需使用光(通常來自激光器)就能激活、失活和操控神經細胞。

三百多年前，路易吉·伽伐尼發現青蛙的腿在通電后會產生抽搐。 這是因為神經細胞(神經元)是通過產生電脈沖來工作的，電脈沖沿著每個神經元傳遞。 電脈沖被稱為“動作電位”。

在過去相當長的時間里，科學家們一直使用微型電極向神經元施加電脈沖，使神經元按指令發射脈沖。 他們利用這個過程，來研究某些神經元是如何連接在一起的，并且判斷出大腦的不同部分對身體的相應位置的控制。

但是，大腦不僅僅控制身體運動。 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。 大約 25 年前，我們還不太了解大腦如何執行最普通的任務，比如回憶一個名字或記起朋友的面容。

現在，情況大不一樣了。 科學家們使用各種工具和技術來研究動物的大腦。 尤其是老鼠，經常被用作測試對象，因為它是一種哺乳動物，其大腦的基本結構與人類相似。

光遺傳學點亮神經科學研究

光遺傳學是神經科學家使用的最新研究方法。 它使用光而不是電極來刺激神經。 為了實現這一點，科學家們使用了一種稱為視蛋白的特殊蛋白質分子。 這種蛋白質在受到光照射時會產生反應。

2005 年，神經科學家 Karl Deisseroth、Ed Boyden 和他們的同事表示可以對動物(包括小鼠)進行基因工程，開發包含視蛋白的神經細胞，使動物神經細胞對光刺激變得敏感。 更重要的是，他們可以精確地操控神經細胞，準確地選擇哪種類型的神經細胞“表達”哪種視蛋白。

因此，現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細胞發射電脈沖，而不是通過物理方式用電極刺激神經細胞。 或者，可以使用不同的視蛋白，對其照射另一種顏色的光進行刺激，讓神經細胞停止發射電脈沖。 這就是光遺傳學。

激光器為光遺傳學提供光源

光遺傳學的最大優勢在于，光是一種非接觸式可選擇性工具，其干擾性遠低于物理電極。 并且光可以快速地移動，不會傷害受試動物。 另外，如果使用激光，可以聚焦到一個小點，使大腦特定部位的神經細胞受到激活或去激活。

先進的光遺傳學實驗使用超快激光器，例如 Coherent Monaco。 超快激光器的優勢在于，它們可以利用多光子激發的效應，選擇性地激發小鼠大腦的單個神經元。此外，激光器發射的紅外光可有效穿透大腦皮層。

越來越多的神經科學家推出由計算機算法控制的神經元多點激發模式。 這種模式能夠刺激數百個精確定位的神經元，分析它們如何相互作用。 這項技術需要使用多光子激發 (MPE) 顯微技術，借助如 Coherent Axon 、 Chameleon 系列及 Monaco 激光器。

最終，神經科學家可以實時測量出相互作用和傳遞信號的神經元數量。 在人們首次認識到神經細胞通過電脈沖工作近 250 年后，科學家們終于弄清楚了老鼠的大腦是如何決定向右轉還是向左轉。 現在，如果我們能記住我們把車鑰匙放在哪里了……

審核編輯 黃宇