光遺傳學可能是當今神經科學領域最熱門的詞彙。它指的是利用細胞的基因改造技術，使其能夠透過光來操縱。最終結果就像床頭燈一樣，可以開關腦細胞。
這項技術使神經科學家能夠實現以前無法想象的壯舉，其兩位發明者——斯坦福大學和霍華德·休斯醫學研究所的卡爾·戴瑟羅思以及麻省理工學院的埃德·博伊登——於11月8日獲得了生命科學突破獎，以表彰他們的努力。這項技術能夠遠端控制運動迴路——一個例子是讓動物在開關的輕 flick 下繞圈跑。它甚至可以標記和改變當小鼠探索不同環境時形成的記憶。這些型別的研究使研究人員能夠牢固地建立特定神經迴路中的電活動與行為和認知各個方面之間的因果關係，使光遺傳學成為當今神經科學中最廣泛使用的方法之一。
隨著其受歡迎程度飆升，新的技巧不斷新增到光遺傳學的武器庫中。最新的突破有望為這項技術帶來自問世以來最大的進步。研究人員已經設計出擴充套件光遺傳學的方法，使其能夠與功能性大腦內部移動的訊號進行動態對話。
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“光遺傳學”一詞通常指的是對神經元的控制。研究人員將一種光敏蛋白的基因插入細胞中。然後，細胞在其表面產生該蛋白質。當這些細胞隨後暴露在光線下時，通道開啟，帶電粒子（正鈉離子）湧入內部，導致細胞“放電”產生“尖峰”，向其他細胞傳送電訊號。最常用的蛋白質是“通道視紫紅質”，最初在藻類中發現，但也有一種來自埃及鹽湖中發現的細菌的蛋白質，具有相反的效果。負離子，而不是正離子（氯離子），湧入細胞，阻止其放電。因此，研究人員可以利用這兩種驅動蛋白，用光來開關神經元。這可以透過光纖電纜來實現，因此研究人員可以操縱自由移動動物的神經元，並觀察對行為的影響。
基因透過各種形式的基因操作傳遞。不同的基因被開啟，或在不同型別的細胞中表達，因此該基因伴隨著一個特殊的基因序列，稱為啟動子，它僅在特定的細胞型別中活躍，從而確保蛋白質僅在所需的目標中產生。
更廣泛地說，光遺傳學指的是任何使用遺傳學加光學與細胞進行通訊的方法——這可能意味著觀察細胞活動，而不僅僅是開關神經元。以前曾使用過非遺傳方法，例如熒光染料，它可以響應活動而增加細胞照明，但缺乏靶向特定型別細胞的精確性。
一種觀察細胞中正在發生的新方法利用了相同的基因靶向方法來開關回路。不同的是，現在指示蛋白透過基因調整整合到選定的細胞中。指示劑通常由對細胞活動敏感的蛋白質與熒光蛋白連線而成，因此它們會響應細胞的放電而發光。將這些基因靶向的光學讀數與用於控制細胞活動的標準工具庫相結合，釋放了光遺傳學的全部潛力。這種組合技術使研究人員能夠僅使用光脈衝與選定神經元群體進行雙向對話。一旦克服各種技術難題，研究人員將能夠與單個神經元進行即時對話，從而實現與清醒、功能性大腦進行前所未有的水平的互動。
在最近於芝加哥舉行的神經科學學會會議上，幾位主要研究人員談到了“神經迴路的全光學審問”，並在《神經科學雜誌》上共同撰寫了一篇隨附的評論。他們概述了所涉及的挑戰，並描述了克服這些障礙的開創性工作。這種方法有可能從字面上照亮大腦活動與認知、行為和情感之間的關係。這個目標與美國腦計劃非常吻合，該計劃旨在鼓勵開發探索神經訊號與認知之間聯絡的新工具。
演講者和合著者之一是斯坦福大學的神經科學家和執業精神科醫生戴瑟羅思，他與同事博伊登一起開發了最初的基於通道視紫紅質的光敏驅動細胞，這為兩人贏得了最近的突破獎。戴瑟羅思的研究始終著眼於精神病學。
這項新工作側重於克服現有技術方法的侷限性。兩種主要型別的基因插入指示劑常用於這些全光學裝置。鈣指示劑利用了當神經元放電時，細胞上的鈣通道開啟，導致鈣水平升高的事實。指示劑利用這一點來使鈣敏感蛋白變形，該蛋白與發出光的熒光蛋白連線。主要問題是速度。“鈣訊號很慢，它們持續一秒左右，而大腦的速度要快一點，”倫敦帝國學院光遺傳學和迴路神經科學主席托馬斯·克諾普費爾說，他沒有在會議上發言。此外，鈣水平也可能在神經元不放電的情況下發生變化，而一些實際上不會導致神經元放電的重要變化不會改變鈣水平。這是因為鈣是研究人員真正感興趣的訊號——電壓的替代物。
克諾普費爾已經開發基因編碼電壓指示劑 (GEVI) 20 年了。與鈣指示劑相比，主要問題是訊號較弱且更難檢測。更快的訊號只會加劇這些問題，這需要更短的曝光時間。訊號也往往更嘈雜。
另一個挑戰是觀察或刺激大腦深處的細胞。傳統的單光子顯微鏡存在深度穿透性和影像質量差的問題——光子被組織吸收和散射。雙光子顯微鏡使用近紅外光克服了這個問題。波長較長的光可以穿透組織，但由於光子的能量較低，因此必須有兩個光子撞擊蛋白質才能激發它，因此得名。這具有的優點是隻有光束的微小焦點中的蛋白質才會被刺激，但這也意味著，當試圖刺激神經元時，只有少數通道被啟用，這可能不足以觸發尖峰。
有兩種方法可以解決這個問題：一種是使用掃描雷射器，它可以快速掃描目標（無論是單個還是多個細胞）上的雷射束，按順序啟用許多通道。另一種涉及並行方法，它使用全息技術將光束塑造成所需的圖案，一次性照亮整個目標。這種方法甚至可以產生三維照明圖案，刺激不同深度的細胞。不過，主要優點是速度。“需要精確控制尖峰時間的應用最好使用並行方法，”巴黎笛卡爾大學神經光子學實驗室的瓦倫蒂娜·埃米利亞尼說，她是主要評論作者，她在會議上介紹了她小組的全息工作。
不過，最大的障礙是，如果波長重疊，用光刺激和記錄活動都會引起問題。這尤其具有挑戰性，因為用作指示劑的蛋白質需要被光激發才能發光。“用於成像和光刺激的化合物具有非常重疊的光譜，”埃米利亞尼說。“很難照亮你的製備物進行成像，同時確保你不會同時進行光刺激。”同樣，研究人員必須小心，他們記錄的指示劑訊號不會被用於刺激的波長破壞。
因此，該領域的許多工作現在都集中在尋找波長不重疊的蛋白質。例如，哈佛大學生物物理學家亞當·科恩和他的團隊與麻省理工學院埃德·博伊登的團隊一起展示了工作成果，該成果將向藍色波長移動的通道視紫紅質與發射近紅外的電壓指示劑結合在一起。這些小組已經在活體小鼠中使用了名為 QuasAr 的指示劑，並在用藍色光刺激神經元的同時，在源自路易·格里克病患者的幹細胞培養物中用紅色光進行監測。他們計劃接下來在活體動物中測試這種組合。
一旦克服了這些挑戰，全光學技術可能會徹底改變神經科學，使研究人員能夠同時精確地控制和監測來自單個神經元或大型神經元集合的單個尖峰，即使實驗動物自由移動。“這種方法將開啟一系列全新的實驗，”倫敦大學學院的神經科學家邁克爾·豪瑟說，他與埃米利亞尼共同主持了會議。“釋放光遺傳學的全部潛力需要超越靶向基因定義的細胞型別，而是根據功能特性而非僅僅基因身份來靶向細胞。”
換句話說，這些創新將使研究人員能夠根據細胞的行為方式來調整他們刺激細胞的方式，而不是僅僅被動地監測，或觀察必須事先仔細計劃神經元刺激水平的實驗結果。“如果你可以根據活動模式定製刺激，你就可以在執行時進行操作，”豪瑟解釋說。“例如，在決策實驗中，如果你可以即時跟蹤神經元集合的活動，你就可以透過操縱正在形成的集合來更有效地影響行為。”
“與我們以前可以做的相比，這是兩項改變遊戲規則的進步：靶向功能集合和即時操縱活動，”豪瑟說。“最終，這些方法可能有助於定義大腦中用於驅動行為的神經程式碼。”