在波士頓的一個神經科學實驗室裡，一隻小鼠正在探索一個塑膠箱子，它的鼻子在箱子的這個角落和那個角落裡探尋。這種行為很正常，但這隻齧齒動物帶有一個新奇的假體：一根細玻璃光纖從它的頭部伸出，並連線到一個可以產生短暫藍色光脈衝的雷射器。光纖指向大腦深處的一小簇細胞，這些細胞製造神經遞質多巴胺。
濫用藥物會增加大腦中的多巴胺水平，這表明神經遞質傳遞獎勵或快樂，有時會造成有害的後果——但沒有人知道製造多巴胺的細胞在成癮中的確切作用。透過專門刺激這些細胞，我的團隊與韓國科學技術院的神經科學家克里斯·菲奧裡洛合作，希望找出答案。
也許是出於好奇，這隻小鼠將鼻子伸入箱子的一個裝有運動感測器的角落，觸發了來自雷射器的藍色閃光，藍光沿著光纖傳播，激活了靠近其尖端的多巴胺神經元。小鼠停頓了一秒鐘，然後再次將鼻子伸入感測器，又獲得了一次光脈衝。它一遍又一遍地重複這種行為，為了獲得光而努力。2012 年發表的結果表明，即使只是短暫地啟用這一小簇多巴胺細胞，也能使動物更多地做它剛才正在做的事情。透過這種方式，多巴胺神經元可以直接驅動一種讓人聯想到成癮的行為模式。
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當然，多巴胺細胞通常不會被光啟用。我們使用一種我們開發的稱為光遺傳學的技術，使它們對光敏感。我們賦予神經元分子，這些分子充當微型太陽能電池板，使它們能夠將光照轉換為電訊號，這是大腦中計算的貨幣。透過將這些微型太陽能電池板分發給大腦中成千上萬種神經元中的一種，我們可以確定這些細胞在行為、感覺處理甚至疾病中的精確作用。
一個世紀以來，神經科學家一直使用電力來觸發神經元活動，電流透過導線向下傳輸。例如，在 20 世紀 50 年代，神經外科醫生懷爾德·彭菲爾德發現，刺激癲癇患者大腦中的某些部位會導致他們回憶起童年記憶。其他人發現他們可以創造視覺感知，使普通事物看起來很有趣，甚至可以部分地喚醒昏迷中的人。刺激大腦可以證明特定區域的神經元以一種簡單觀察大腦無法實現的方式驅動複雜的突發行為。
但是，由於大腦在每立方毫米的組織中 packed 大約 100,000 個神經元和 10 億個突觸連線，因此即使電刺激大腦中的微小位置也會激發非常大量的不同種類的相互交織的細胞。因此，電力無法闡明究竟哪些細胞驅動哪些行為。相比之下，如果單種類型的細胞（例如多巴胺神經元）配備了光敏感分子，則光照將專門激發這些細胞。在過去的十年中，數百個研究小組使用光遺傳學來了解各種神經元網路如何促進行為、感知和認知。例如，他們已經確定了一組觸發攻擊行為的神經元，另一組可以驅動記憶回憶的神經元，以及第三組可以增強細節感知的神經元。近年來，我們擴大了我們的分子工具箱，不僅包括啟用神經元的分子，還包括沉默神經元的分子。我們發現了對不同波長光線做出反應的蛋白質，使科學家能夠一次調節多組相互作用的神經元。結果是對大腦回路進行越來越精確的操縱。
光遺傳學還在揭示腦部疾病治療的潛在靶點，腦部疾病影響著全球超過 10 億人。透過揭示神經迴路的工作原理，該技術可以為藥物和植入式電刺激器指向大腦中更好的靶點。如果光遺傳學能夠適用於人類，這個過程將需要先進的基因治療技術，並且可能還需要數年時間，那麼大腦動力學就可以被極其精確地塑造。人們也許能夠立即降低癲癇發作期間的異常活動，或增強帕金森病患者的運動功能。使視覺細胞對光敏感甚至可能為失明提供治療方法。
來自藻類的借鑑
遍佈生命之樹的生物體都包含捕獲光並利用光碟機動重要電或化學過程的分子。在光合作用中，這些分子將光轉化為富含能量的化合物；其他生命形式將這些分子用於一種原始的視覺。1971 年，已故的加州大學舊金山分校的生物學家瓦爾特·斯托肯尼烏斯和現在的馬克斯·普朗克生物化學研究所的生物學家迪特爾·厄斯特海爾特發現，一類生活在非常鹹的水中的單細胞生物擁有光碟機動蛋白，這些蛋白位於細胞膜中。在光照下，這些蛋白質將質子（帶正電的離子）從膜的一側輸送到另一側。這些被稱為細菌視紫紅質的蛋白質支援細胞代謝，並可能幫助細菌在光以外的能量來源稀缺的惡劣環境中茁壯成長。
在 20 世紀 70 年代後期，科學家在相同的生物體中發現了光碟機動的氯離子泵，稱為滷視紫紅質。在 2002 年，在綠藻中發現了一類第三類分子，光門控離子通道，稱為通道視紫紅質；它們將光轉換為分子訊號，控制藻類的鞭毛，使微生物能夠轉向池塘表面以捕獲陽光。幾十年來，生物物理學家、微生物學家和其他科學家研究這些分子，以更好地瞭解生物體如何與光相互作用。
作為一名工程師，我開始對這些微小的光碟機動執行器的潛在效用著迷。2000 年春天，作為斯坦福大學的研究生，我與我的同學卡爾·戴瑟羅思一起集思廣益，討論我們可以開發哪些技術來從根本上加速對大腦的研究。憑藉我在電氣工程和物理學方面的培訓，我希望開發出像分析計算機電路一樣分析大腦的工具。我開始想象將這些微生物離子泵插入腦細胞的膜中，這樣，當光線照射到它們時，負離子就會移動到細胞中以關閉它們——或者，有可能將正離子輸送到細胞中並增強它們的活動。使用任何一種操作，我們都可以確定這些神經元在特定行為或病理狀態中的作用。
活體生物製造這些蛋白質的事實意味著我們很可能將它們基因工程改造到其他生物體中，例如小鼠，也許有一天會進入人體。在生物體內，基因指定蛋白質的產生，因此如果我們將這些光敏感蛋白質的基因傳遞到腦細胞中，理論上，細胞可以完成剩下的工作。當前的基因工程技術不允許我們系統地將基因定向到特定的細胞型別，例如多巴胺神經元。但是，我們可以定製基因，使其蛋白質僅在某些細胞中製造或表達。由於不同型別的細胞會開啟不同的基因組，我們可以採用僅由多巴胺神經元開啟的 DNA 序列，並將這些片段連線到我們想要插入的基因上。然後，當我們將基因傳遞給小鼠時，只有多巴胺細胞才會產生其蛋白質。
我請幾位同事給我傳送編碼光啟用離子泵的 DNA 片段，以便我可以開始嘗試將它們匯入神經元。一個挑戰是找到在哺乳動物大腦中起作用的光碟機動泵，哺乳動物大腦與極端的鹽水環境截然不同。2003 年底，我閱讀了德國維爾茨堡大學的生物物理學家格奧爾格·納格爾和他的同事在當年早些時候發表的一篇論文。納格爾的團隊已成功地將來自綠藻的光門控離子通道基因插入培養的哺乳動物細胞中。細胞產生了一種功能性蛋白質，即通道視紫紅質-2，它響應光線將帶正電的離子輸送到細胞中。
當時的博士後學者戴瑟羅思和我請納格爾將他的基因傳送給我們。戴瑟羅思用該基因浸泡了培養的神經元，在 2004 年 8 月 4 日凌晨 1 點，我用顯微鏡上的燈發出的藍色閃光照射了第一個神經元。這個實驗有點冒險。我們不知道一種進化出來幫助藻類朝光移動的離子通道是否會對神經元產生任何影響。例如，該通道可能會以錯誤的速度開啟，或者產生的電流太小而無法改變神經元訊號傳導。插入的蛋白質也可能因任何數量的原因而被證明對神經元有毒。
然而，令我驚訝的是，第一個測試神經元做出了反應，像神經元自然產生的電脈衝一樣發射了電脈衝。更重要的是，神經元看起來沒有任何損傷。它輕鬆地 survived 插入的這種來自植物的蛋白質。我們已經使用光可靠地刺激了培養神經元中的電活動和神經遞質釋放；我們在 2005 年的一篇論文中描述了這些結果。
然後，我開始與同事合作，擴充套件我們的神經控制工具箱。在 2007 年發表的一篇論文中，當時我還是麻省理工學院的助理教授，現在的波士頓大學的神經工程師薛寒和我表明，當插入神經元后，滷視紫紅質會泵入氯離子（帶負電），並沉默神經訊號傳導。在接下來的兩年裡，現在的賓夕法尼亞大學的神經工程師布賴恩·周、寒和我發現了光碟機動質子泵，它可以將帶正電的離子泵出細胞，從而響應光線抑制神經活動。
幾年前，我們當時的研究生內森·克拉珀特克透過挖掘藻類基因序列資料庫，發現了光碟機動離子通道，它可以足夠快地響應，產生大腦中看到的最快的電脈衝。同樣來自這個資料庫，克拉珀特克鑑定出響應紅光啟用神經元的離子通道，紅光的波長更長，可以比藍光更深入地穿透組織，因此可以從更遠的地方啟用神經元。我們實驗室的一名研究生艾米·莊還發現了一種離子泵，它可以響應紅光沉默神經元，即使在大腦深處也是如此。這些分子共同為使用不同顏色的光來調高或調低多個人群的神經元的音量打開了大門，使科學家能夠繪製各種大腦回路和行為之間複雜的聯絡。例如，在刺激感覺通路的同時啟用多巴胺神經元，可能會向我們展示來自感覺神經元的活動模式（例如與藥物相關的物體或氣味相關的活動模式）如何驅動行為。
攻擊神經元
我們已將我們新發現的工具分發給全球 1000 多個研究小組。研究人員使用這些微生物機器來控制神經元，正在識別驅動特定行為的神經網路。幾年前，現在的紐約大學的神經科學家林達瑜和加州理工學院的大衛·J·安德森想知道大腦中哪些細胞可以引發暴力。在 2011 年發表的工作中，他們和他們的同事在剛剛打過架的小鼠的大腦中尋找最近神經活動的分子標誌。他們在下丘腦（一個小的、深深嵌入的大腦區域）中的一簇細胞中發現了這種標誌。然而，這些神經元在攻擊性行為期間的啟用並不意味著它們會導致暴力，因為它們的活動可能是大腦其他部位計算的副產品。因此，研究人員將攜帶通道視紫紅質-2 基因的病毒注射到下丘腦的這個部位，並在那裡植入了一根光纖。當他們透過光纖傳遞光線，啟用這些神經元時，小鼠立即攻擊其他小鼠。它們甚至攻擊手套等無生命物體，突顯了這些細胞對這種複雜行為的強大影響。定義這樣的迴路可能會使我們更好地理解攻擊行為的原因，併為幫助人們控制自己的行為提出新的方法。
研究人員還使用光遺傳學來尋找記憶回憶的神經基礎。在 2012 年的一項研究中，麻省理工學院的神經科學家劉旭和利根川進以及他們的同事創造了轉基因小鼠，這些小鼠攜帶通道視紫紅質-2 基因，但僅在最近活躍的神經元中表達該蛋白質。然後，小鼠在受到電擊之前聽到了聲音。隨著時間的推移，小鼠學會了將聲音與電擊聯絡起來，並且每當聽到聲音時，它們都會因恐懼而僵住。在一隻小鼠學會這種聯絡後，研究人員發現，在其齒狀回（海馬體的一部分，已知與記憶形成有關）中的神經元正在表達通道視紫紅質-2，這表明這些神經元參與了創造恐懼記憶。向這個區域傳遞光線會重新啟用神經元，即使在沒有聲音的情況下，動物也會再次僵住，這表明這些神經元可以獨立地觸發特定記憶的回憶。透過這種方式，光遺傳學可以揭示覆雜資訊如何儲存在大腦中。
光遺傳學工具還可以幫助科學家更好地理解已知大腦回路中特定型別神經元的功能。在 2012 年發表的一項研究中，現在的韓國科學技術院的神經科學家李承熙、加州大學伯克利分校的楊丹和他們的同事對小鼠進行了基因工程改造，使其在視覺皮層（大腦後部）的星形神經元中表達光遺傳學啟用劑。當他們開啟燈開關，選擇性地啟用這些神經元時，當科學家向它們展示一系列表示噴嘴有水的線條時，小鼠更可靠地舔舐噴嘴。啟用這些星形神經元似乎有助於小鼠區分不同方向的線條陣列，可能銳化了它們的視力。因此，當表示有水的刺激物出現時，它們更加自信。結果表明，這組神經元可以增強大腦區分環境中視覺特徵的能力。
採取行動
這些技術還可以用於識別——並有可能靶向——大腦中導致各種神經系統疾病的特定迴路。顳葉癲癇（成人中最常見的型別之一）患者對藥物沒有反應時，有時會選擇手術切除大腦中產生癲癇發作的部分。根據切除的組織，治療可能會對關鍵功能（如言語或運動）造成永久性損害。用光重置異常神經迴路的能力可能代表這些患者更安全的選擇。在 2013 年發表的工作中，加州大學歐文分校的神經科學家埃絲特·克魯克-馬格努森和伊萬·索爾特斯以及他們的同事在小鼠身上朝著這個方向邁出了一步。這些小鼠被給予了一種使它們容易發生癲癇發作的藥物，但也經過基因工程改造，具有解毒劑：它們在前腦的興奮性神經元中表達滷視紫紅質基因。科學家們發現，一旦癲癇發作開始就照射這些細胞，在許多情況下可以在幾秒鐘內阻止癲癇發作。
在其他情況下，來自動物光遺傳學實驗的結果表明了更安全地提供現有治療方法的方法。例如，成千上萬的帕金森病和其他運動障礙患者已將電極植入大腦，以促進運動和減少震顫。刺激通常針對一個稱為丘腦底核的深層結構，因為外科醫生偶然發現該位置的電極具有治療效果。在 2009 年發表的一項實驗中，現在的加州理工學院的神經科學家維維安娜·格拉迪納魯、戴瑟羅思和他們的同事使用光遺傳學在小鼠身上測試了一種侵入性較小的帕金森病療法。由於藥物的影響，這些小鼠身體一側因步態緩慢（帕金森病的特徵之一）而跛行，導致它們繞圈行走。當研究人員使用光來啟用運動皮層中製造通道視紫紅質-2 的某些細胞時，這些小鼠的步態變得筆直，它們的運動也變得更加對稱。由於運動皮層位於大腦表面，這一發現表明帕金森病患者可能會從放置在大腦表面甚至頭皮外部的電極中獲益。
在光遺傳學的另一個應用中，使視覺細胞對光敏感有一天可能會成為某些型別失明的療法。在視網膜色素變性 disorder 中，眼睛中的感光器（光敏感）細胞由於各種基因中的 100 多種突變中的任何一種而萎縮或死亡，導致失明。如果沒有感光器細胞，眼睛就無法將光轉換為大腦可以解釋的神經訊號。各個研究小組正在探索連線到攝像機的電刺激器是否可以將來自捕獲影像的視覺資訊傳遞到倖存的視覺細胞。然而，由於電力會擴散，這種技術只能產生低解析度的視覺：人們看到光點或高度畫素化的影像。另一種策略是將一種將光轉換為神經訊號的蛋白質基因傳遞給一組倖存的細胞。這種技術已經恢復了失明小鼠的某些視力。幾個團隊（其中一些在生物技術公司）現在正在探索這種基因改造是否可以成為人類失明的治療方法。
基因工程改造人腦？
然而，要使用光遺傳學來治療患者，還需要取得幾項重大進展。透過在小鼠和其他生物體發育的早期精確地操縱它們的 DNA，我們可以將一種新的蛋白質插入到它們身體的特定細胞中。相比之下，在人類中，使細胞對光敏感將需要在完全形成的個體中插入一個新基因，而能夠完成這一壯舉的基因治療技術無法可靠地將該基因的表達限制在特定的細胞型別。這種療法——包括新的外源蛋白質——也必須被證明是長期的安全的。此外，我們需要開發可植入的光學裝置，這些裝置可以長時間照射神經元。
與此同時，也許更重要的是，光遺傳學工具將幫助我們大大改進我們的大腦地圖，這將為修復大腦的策略指明方向。為了在這項工作中取得最大進展，我們需要發明新的記錄神經活動的方法，這些方法向我們展示了擾亂一組定義的細胞如何影響大腦動力學。在這方面邁出的一步是，今年早些時候，我們與奧地利維也納大學的物理學家和神經科學家阿里帕沙·瓦齊裡及其同事合作，開發了一種經過最佳化的顯微鏡，用於在整個生物體中以 3D 方式對神經活動進行成像。
奧巴馬政府於 2013 年啟動的 BRAIN 計劃旨在刺激開發揭示大腦工作原理的技術。光遺傳學的發現強調了在不太可能的地方尋找這些工具的重要性，從沙漠鹽湖到高山池塘。半個世紀前，對微生物蛋白質的好奇心開始了非凡的故事，這些蛋白質沒有明顯的實際用途，但現在卻導致了對思想和情感等基本大腦過程的揭示，並發現了更安全、更有效的腦部疾病治療方法。