作為一名執業精神科醫生，我每天都面臨著我所在領域的侷限性。儘管臨床醫生和研究人員做出了崇高的努力，但我們對精神疾病根源的有限認識阻礙了對治療方法的探索，並加劇了對這個巨大問題的汙名化，而這個問題是全球範圍內因死亡或殘疾而損失生命年的首要原因。顯然，我們在精神病學方面需要新的答案。但正如科學哲學家卡爾·波普爾可能說的那樣，在我們找到答案之前，我們需要提出新問題的能力。換句話說，我們需要新技術。
然而，開發合適的技術是困難的，因為哺乳動物的大腦複雜程度無與倫比。它是一個複雜的系統，其中數百億相互交織的神經元——具有無數不同的特徵和連線模式——以精確的時間、毫秒級的電訊號和豐富的生物化學信使進行交換。正是由於這種複雜性，神經科學家對大腦的真正作用缺乏深刻的理解——即特定腦細胞內的特定活動模式最終如何產生思想、記憶、感覺和情感。由此推論，我們也不知道大腦的生理故障如何產生不同的精神疾病，如抑鬱症或精神分裂症。將精神疾病歸結為化學失衡和神經遞質水平改變的統治正規化，並不能充分體現大腦高速的電神經迴路。因此，精神疾病的治療基本上是偶然的：對許多人有幫助，但很少具有啟發性。
因此，難怪諾貝爾獎獲得者弗朗西斯·克里克在1979年《大眾科學》的一篇文章中提出，神經科學麵臨的主要挑戰是需要控制大腦中一種型別的細胞，同時保持其他細胞不變。電刺激無法應對這一挑戰，因為電極是一種過於粗糙的工具：它們會刺激插入部位的所有細胞，而不區分不同的細胞型別，而且它們的訊號也不能精確地關閉神經元。克里克後來在講座中推測，光可以作為一種控制工具，因為它可以用一系列顏色和位置以精確定時的脈衝傳遞，但當時沒有人知道如何讓特定細胞對光做出反應。
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與此同時，在生物學領域，與哺乳動物大腦的研究相去甚遠，研究人員正在研究微生物，這些微生物直到很久以後才被證明是相關的。至少在40年前，生物學家就知道一些微生物產生蛋白質，這些蛋白質直接調節電荷跨膜流動以響應可見光。這些蛋白質由一組特定的“視蛋白”基因產生，有助於從微生物環境中的光中提取能量和資訊。1971年，當時都在加州大學舊金山分校的瓦爾特·斯托肯紐斯和迪特爾·奧斯特海爾特發現，其中一種蛋白質細菌視紫紅質充當單組分離子泵，可以被綠光光子短暫啟用——這是一種非凡的一體化分子機器。後來，在1977年鑑定了該蛋白質家族的其他成員——鹽視紫紅質，以及在2002年鑑定了通道視紫紅質——延續了1971年的一體化單基因控制的最初主題。
事後看來，克里克挑戰的解決方案——一種顯著推進大腦研究的策略——實際上在他提出挑戰之前就已在原則上存在。然而，這些概念花了30多年的時間才在新技術光遺傳學中結合在一起。
光遺傳學是遺傳學和光學的結合，用於控制活體組織（不僅僅是神經系統）中任何特定細胞內明確定義的事件。它包括髮現並將賦予光響應性的基因插入細胞；它還包括將光傳遞到大腦的相關技術，將光的效果導向感興趣的基因和細胞，以及評估讀數或這種光學控制的效果。光遺傳學讓神經科學家興奮的是，它在定義的時間提供了對定義細胞型別內定義事件的控制——這種精確度不僅是根本性的新突破，而且很可能對生物學理解至關重要。
細胞中任何事件的意義只有在組織其餘部分、整個生物體甚至更大環境中發生的其他事件的背景下才能理解。例如，即使神經元放電時間偏移幾毫秒，有時也會完全逆轉其訊號對神經系統其餘部分的影響。成千上萬的科學家現在正在運用光遺傳學來了解選定神經元組內的特定活動模式如何導致蠕蟲、果蠅、魚、鳥類、小鼠、大鼠和猴子複雜的生理和行為。這項工作已經為人類問題帶來了重要的見解，包括抑鬱症、睡眠障礙、帕金森病和精神分裂症。
用光照亮生命
生物學有著使用光來干預生命系統的傳統。研究人員長期以來一直採用一種稱為CALI的光基方法來破壞，從而抑制選定的蛋白質；雷射也已被用於破壞特定細胞，例如，在蠕蟲秀麗隱杆線蟲中。相反，貝爾實驗室的理查德·L·福克（在1970年代）和哥倫比亞大學的拉斐爾·尤斯特（在2002年）報告了用雷射刺激神經元的方法，雷射部分破壞了細胞膜。在過去的十年中，格羅·米森伯克（當時在紀念斯隆-凱特琳癌症中心）以及埃胡德·伊薩科夫、理查德·H·克雷默和德克·特勞納（當時都在加州大學伯克利分校）的實驗室採用了多組分系統，用光調節目標細胞。例如，他們引入了一種調節神經元的蛋白質和一種化學物質，這種化學物質會在紫外線觸發時刺激蛋白質發揮作用。
然而，破壞感興趣的蛋白質或細胞顯然限制了人們的實驗選擇，而依賴於多個組分的方法，儘管優雅而有用，但會帶來實際挑戰，並且在哺乳動物中尚未得到廣泛應用或實用性。向單組分策略的根本轉變是必要的。事實證明，這種單組分策略無法建立在早期方法的任何部分或方法之上，而是採用了來自微生物的非凡的一體化光啟用蛋白質：細菌視紫紅質、鹽視紫紅質和通道視紫紅質。
2000年，在細菌視紫紅質和鹽視紫紅質為科學界所知之後很久，日本的Kazusa DNA研究所線上釋出了數千個來自萊茵衣藻的新基因序列。在審查這些序列時，當時在柏林雷根斯堡大學的彼得·黑格曼預測萊茵衣藻會有一個光啟用離子通道，他注意到兩個與細菌視紫紅質的長序列相似的序列，從Kazusa獲得了它們的副本，並要求格奧爾格·納格爾（當時是法蘭克福的首席研究員）測試它們是否確實編碼離子通道。2002年，黑格曼和納格爾描述了他們的發現，其中一個序列編碼了一種對藍光敏感的單蛋白膜通道：當被藍色光子擊中時，它調節帶正電離子的流動。因此，該蛋白質被命名為通道視紫紅質-1，或ChR1。第二年，納格爾和黑格曼（以及他們的同事，包括法蘭克福的恩斯特·班伯格）探索了另一個序列，並將編碼的蛋白質命名為通道視紫紅質-2，或ChR2。幾乎與此同時，德克薩斯大學休斯頓醫學院的約翰·L·斯普迪奇單獨提供了證據，證明這些基因對萊茵衣藻的光依賴性反應很重要。然而，這些通道視紫紅質——第三種單組分光啟用離子電導蛋白質——的發現，並沒有像前幾十年細菌視紫紅質和鹽視紫紅質的發現那樣立即轉化為神經科學的進步。
許多科學家向我透露，他們曾考慮將細菌或藻類視蛋白基因插入神經元，並嘗試用光控制改變後的細胞，但放棄了這個想法。動物細胞不太可能有效或安全地製造微生物蛋白質，而且這些蛋白質幾乎肯定太慢太弱而無法有效發揮作用。此外，為了發揮作用，這些蛋白質需要一種額外的輔助因子——一種稱為全反式視黃醛的維生素A相關化合物來吸收光子。浪費時間和金錢的風險太大了。
然而，對於我在斯坦福大學組建的生物工程研究團隊來說，改善對臨床精神病學的理解的動力足以證明極高的失敗風險是合理的。在我的精神科住院醫師實習期間，我親眼目睹了藥物和電休克療法等治療方法的缺點和副作用。這種經歷促使我願意冒險，因此，作為2004年斯坦福大學的首席研究員，我組建了一個團隊，其中包括研究生愛德華·S·博伊登和馮·張，以應對這一挑戰。我透過轉染的成熟技術將通道視紫紅質-2引入培養的哺乳動物神經元中——也就是說，透過將ChR2的基因和一種特定的“開啟開關”或啟動子拼接到一個載體（如良性病毒）的基因中，該載體將新增的遺傳物質運送到細胞中。啟動子可以確保只有選定的神經元型別（例如，只有那些能夠分泌神經遞質穀氨酸的神經元）才會表達或製造編碼的視蛋白。
出乎意料的是，實驗成功了——而且效果出奇地好。僅僅使用安全的可見光脈衝，我們就獲得了對細胞動作電位放電模式的可靠、毫秒級精度控制——電壓脈衝或衝動，使一個神經元能夠將資訊傳遞給另一個神經元。2005年8月，我的團隊發表了第一份報告，表明透過將單個微生物視蛋白基因引入哺乳動物神經元中，我們可以使細胞精確地對光做出反應。事實證明，通道視紫紅質（以及最終我們發現的1971年的細菌視紫紅質和鹽視紫紅質）都能夠響應光有效地、安全地開啟或關閉神經元。它們發揮作用的部分原因是，作為來自大自然的意外禮物，哺乳動物組織恰好含有大量天然的全反式視黃醛——光子啟用微生物視蛋白所必需的一種化學輔助因子——因此除了視蛋白基因之外，不需要向目標神經元新增任何東西。
我們的初步報告發表於2005年，一年後，我的斯坦福大學同事馬克·施尼策和我在一篇評論文章中將該方法命名為“光遺傳學”。到那時，世界各地的實驗室都在使用它，使用我的團隊合成的這些基因的版本，以在哺乳動物細胞中發揮最佳作用。截至今天，我們已將這些基因傳送到大約700個實驗室。
改進自然
由於生態學和工程學的驚人融合，光遺傳學工具的數量及其功能的種類迅速擴充套件。研究人員正在透過在自然界中搜尋新的視蛋白來新增到他們的工具包中；他們還在應用分子工程來調整已知的視蛋白，使其對更廣泛生物體中更多樣化的實驗更有用。
例如，在2008年，馮·張領導的我們對另一種藻類物種——Volvox carteri——的基因組搜尋揭示了第三種通道視紫紅質（VChR1），正如我們與黑格曼一起展示的那樣，它對黃光而不是藍光做出反應。透過同時使用VChR1和其他通道視紫紅質，我們可以同時控制混合細胞群，黃光對其中一些細胞施加一種型別的控制，而藍光向其他細胞傳送不同的命令。我們現在發現，最有效的通道視紫紅質實際上是VChR1和ChR1的混合體（根本沒有ChR2的貢獻）。我們的其他修飾視蛋白（與Ofer Yizhar、Lief Fenno、Lisa Gunaydin以及黑格曼及其學生共同創造）現在包括“超快”和“超慢”通道視紫紅質突變體，它們可以精確控制動作電位的時間和持續時間：前者可以以每秒超過200次的速度驅動動作電位，而後者可以用單次光脈衝將細胞推入或推出穩定的興奮狀態。我們最新的視蛋白現在也可以對接近紅外線的深紅色光做出反應，這種光保持更清晰的焦點，更容易穿透組織並且耐受性非常好。
分子工程學還將光遺傳學控制從細胞的電行為擴充套件到它們的生物化學。所有已批准的醫療藥物中的很大一部分作用於稱為G蛋白偶聯受體的一系列膜蛋白。這些蛋白質感知細胞外訊號化學物質，如腎上腺素，並透過改變細胞內生物化學訊號（如鈣離子）的水平以及細胞的活動來做出反應。透過將來自視紫紅質分子的光感應域新增到G蛋白偶聯受體中，Raag D. Airan和我實驗室的其他成員開發了一組稱為optoXRs的受體，這些受體對綠光快速反應。當病毒將optoXRs的遺傳構建體插入實驗室齧齒動物的大腦中時，optoXRs為我們提供了對動物在籠子內自由移動時的生物化學事件的控制。因此，現在可以在實驗室培養皿和未束縛的哺乳動物中實現對生物化學途徑的快速和細胞型別特異性光學控制；這種對生物化學的控制為光遺傳學打開了生物學中幾乎每個細胞和組織的大門。
現在在各種微生物基因組中發現的許多天然視蛋白基因編碼哺乳動物細胞無法很好地製造的蛋白質。但我小組中的維維亞娜·格拉迪納魯開發了許多通用策略來改善它們的遞送和表達。例如，可以將DNA片段與視蛋白基因捆綁在一起，充當“郵政編碼”，以確保基因被運輸到哺乳動物細胞內的正確區室，並正確翻譯成功能性蛋白質。藉助我們在2006年和2007年開發的光纖工具，研究人員現在可以將光傳遞到大腦的任何區域——無論是表面還是深層——以在自由移動的哺乳動物中進行光遺傳學控制。為了實現對光遺傳學控制引發的動態電訊號的同步讀出，我們開發了毫秒級儀器，這些儀器是光纖和電極的整合混合體（我們稱之為“光電極”）。
光學刺激和電記錄之間可以產生美麗的協同作用，因為兩者可以設定為互不干擾。例如，我們現在可以直接觀察運動控制中涉及的神經迴路中不斷變化的電活動，同時我們正在用微生物視蛋白光學控制這些迴路。神經迴路的光遺傳學輸入和電輸出越豐富和複雜，我們就越能朝著神經迴路的逆向工程形式邁進：我們將能夠
從神經迴路如何轉換我們的訊號來推斷神經迴路的計算和資訊作用。對健康神經迴路進行逆向工程將為確定精神和神經疾病狀態下的哪些特性和活動存在差異提供絕佳機會。反過來，這些知識應該有助於指導人們努力尋找能夠恢復這些迴路正常狀態的干預措施。
逆向工程思維
光遺傳學作為一種研究工具的重要性，特別是與其他技術結合使用時，繼續快速增長。近年來，神經科學基於稱為功能性磁共振成像（fMRI）的大腦掃描技術取得了許多進展。這些掃描通常被認為是提供了對各種刺激的神經活動詳細圖譜。然而，嚴格來說，fMRI僅顯示大腦不同區域的血氧水平變化，而這些變化只是實際神經活動的替代指標。
因此，一直存在一些令人擔憂的不確定性圍繞著這些複雜訊號是否可以由區域性興奮性神經活動增加觸發的問題。然而，在今年五月，我的實驗室使用光遺傳學和fMRI（ofMRI）的結合來驗證區域性興奮性神經元的放電是否完全足以觸發fMRI掃描器檢測到的複雜訊號。此外，光遺傳學和fMRI的結合可以以以前使用電極或藥物無法實現的精確度和完整性繪製功能性神經迴路圖。因此，光遺傳學正在幫助驗證和推進神經科學和精神病學領域的大量科學文獻。
事實上，光遺傳學的影響已經直接影響到一些人類疾病問題。在動物中，我們對大腦深處一種先前與嗜睡症睡眠障礙有關的神經元（下丘腦分泌素細胞）使用了光遺傳學。我們發現，這些神經元中特定型別的電活動會引發覺醒。因此，找到一種在臨床上誘導神經活動的方法可能有一天會提供一種治療方法，但最重要的是科學見解，即特定細胞中的特定型別活動可以產生複雜的行為。
光遺傳學還有助於確定多巴胺生成神經元如何產生獎勵和快樂感。我的團隊在自由移動的小鼠中光遺傳學誘導了明確定義的多巴胺神經元組中不同定時的活動爆發。我們確定了似乎驅動動物獎勵感的刺激模式。在沒有任何其他線索或獎勵的情況下，小鼠選擇在它們的多巴胺神經元中接受特定型別活動爆發的地方花費更多時間。這些資訊對於梳理正常獎勵過程和抑鬱症和藥物濫用中涉及的快樂系統病理學的細胞活動非常有用。
光遺傳學方法還提高了我們對帕金森病的理解，帕金森病涉及大腦某些運動控制迴路中的資訊處理障礙。自1990年代以來，一些帕金森病患者從一種稱為腦深部刺激的療法中獲得了一定程度的緩解，在這種療法中，類似於起搏器的植入裝置將精心定時的振盪電刺激應用於大腦深處的某些區域，例如丘腦下核。
然而，這項技術對帕金森病（以及實際上對各種其他疾病）的希望受到部分限制，因為電極會不加選擇地刺激附近的腦細胞，而且對應用哪些刺激的醫學理解嚴重不足。然而，最近，我們使用光遺傳學研究了帕金森病動物模型，並獲得了對患病迴路的性質和治療干預措施作用機制的基本見解。
例如，我們發現，當腦深部刺激的目標不是細胞而是細胞之間的連線時，它可能是最有效的——影響大腦區域之間活動的流動。並且，透過與加州大學舊金山分校的同事阿納托爾·克雷澤合作，我們功能性地繪製了大腦運動迴路中的兩條通路：一條減慢運動，另一條加速運動，可以抵消帕金森病狀態。
我們還了解了如何刺激一種細胞——新皮質小白蛋白神經元，以調節大腦活動中稱為伽瑪振盪的每秒40個週期的節律。科學界早就知道精神分裂症患者的小白蛋白細胞發生了改變，並且伽瑪振盪在精神分裂症和自閉症中都是異常的——但這些相關性的因果含義（如果有的話）尚不清楚。使用光遺傳學，我們證明小白蛋白細胞用於增強伽瑪波，而這些波反過來又增強了資訊透過皮質迴路的流動。
在我的精神分裂症患者中，我清楚地看到了資訊處理問題，其中平凡的隨機事件被錯誤地視為更大主題或模式的一部分（可能是導致偏執和妄想的資訊問題）。這些患者還遭受內部“通知”機制的某種失敗，該機制在我們產生想法時通知我們（可能是潛在的“聽到聲音”的可怕現象的資訊問題）。在我的自閉症譜系障礙患者中，我看到的是資訊處理過於受限，而不是資訊連線不恰當的廣泛：他們只關注物體、人、對話等的部分，從而錯過了大局。這些資訊處理失敗可能導致溝通和社交行為失敗；因此，更好地理解伽瑪振盪可能會為這些複雜疾病提供見解。
作為一名醫生，我發現這項工作令人興奮，因為我們正在將工程原理和定量技術應用於破壞性的、看似“模糊”且棘手的精神疾病。因此，光遺傳學正在幫助精神病學走向網路工程方法，在這種方法中，大腦的複雜功能（及其產生的行為）被解釋為神經系統的特性，這些特性是從組成細胞和迴路的電化學動力學中產生的。因此，它從根本上改變了我們對電興奮組織在健康和疾病中的功能的理解。從驚歎於一種奇怪的細菌蛋白質——細菌視紫紅質——對光的反應方式開始，這確實是一段漫長（且不可預測）的旅程。
意外的收穫
在神經科學學會會議和其他一些非常大型的會議上，我偶爾聽到同事建議，與其進行更多樣化的探索，不如將數萬名科學家集中在一個龐大而緊迫的專案上——例如，阿爾茨海默病，這樣效率更高。然而，定向和目標性研究變得越強，我們就越有可能減緩整體進展，也就越肯定，那些真正具有顛覆性想法可能產生的遙遠而未知的自然領域，將完全與我們共同的科學旅程隔絕。
光遺傳學的教訓是，古老的、脆弱的和稀有的——甚至是池塘浮渣或來自撒哈拉鹽湖的細胞——對於理解我們自己和我們的現代世界至關重要。這項技術背後的故事強調了保護稀有環境生態位和支援真正基礎科學的重要性。我們永遠不應忘記，我們不知道科學的漫長征程將把我們帶向何方，也不知道照亮我們道路需要什麼。
光遺傳學挑戰倫理嗎？
光遺傳學現在加入了大腦調節技術的行列，如精神藥物和外科手術干預，這些技術足夠強大，足以引發倫理和哲學問題。然而，如果我們從另一個角度來看，光遺傳學實際上比那些舊策略更安全，並且倫理考慮更少。光遺傳學增強的力量和特異性與其技術複雜性相關聯：幾乎不可能在不知情或不願意的患者身上使用光遺傳學。
然而，更微妙（或許也更有趣）的新問題源於光遺傳學的精確性。在某種程度上，我們個性的所有方面、優先事項、能力、情感和記憶都源於特定時間模式中特定神經元組內的電化學事件。控制這些思維的關鍵組成部分將引發具有挑戰性的哲學問題，從何時適合或有理由進行此類修改，到關於自我和意志的本質和可修改性的更抽象問題。
基於手術、藥物或電極的神經幹預在歷史上一直非常粗糙，以至於那些重要的哲學問題更多的是理論而非實踐；倫理學家和法律只是部分地解決了這些問題。考慮到我們目前影響人類情感和心理現實構建的醫療能力，精神科醫生對這類問題並不陌生。
但時代在變化，正如過去幾年光遺傳學發展的驚人速度所例證的那樣。我們在干預的時間和細胞精度方面的巨大飛躍，需要社會持續和周到的考慮，就像所有先進技術一樣。因此，神經科學家必須準備好向感興趣的非專業人士仔細解釋光遺傳學實驗對我們理解和治療人類思維的意義（以及不意味著什麼）。