1937年，偉大的神經科學家、牛津大學的查爾斯·斯科特·謝靈頓爵士描繪了他認為將成為大腦工作原理的經典描述。他想象光點象徵著神經細胞及其連線的活動。他提出，在深度睡眠期間，只有大腦中少數偏遠的部分會閃爍，使這個器官呈現出星夜天空的景象。但當覺醒時，“就好像銀河系開始了某種宇宙之舞，”謝靈頓反思道。“頭部迅速變成一個神奇的織布機，數百萬閃爍的梭子編織出一個正在消散的圖案，一個始終有意義的圖案，但絕不是一個持久的圖案；一個不斷變化的子圖案的和諧。”
儘管謝靈頓當時可能沒有意識到，但他詩意的隱喻包含了一個重要的科學思想：大腦以光學方式揭示其內部運作。理解神經元如何協同工作以產生思想和行為仍然是整個生物學中最困難的開放性問題之一，這主要是因為科學家通常無法看到整個神經迴路的運作。用電極探測一個或兩個神經元的標準方法只揭示了一個更大的謎題的微小碎片，缺失的碎片太多，無法猜測出完整的影像。但是，如果能夠觀察神經元的交流，人們或許就能夠推斷出大腦回路是如何佈局以及如何運作的。這個誘人的想法激發了神經科學家們嘗試實現謝靈頓的願景。
他們的努力催生了一個名為光遺傳學的新興領域，該領域將基因工程與光學相結合，以研究特定的細胞型別。研究人員已經成功地可視化了各種神經元群體的功能。此外，這種方法使他們能夠真正地遠端控制神經元——只需撥動一下燈開關即可。這些成就提高了光遺傳學有一天可能會向神經科學家敞開大腦的電路，甚至可能幫助醫生治療某些疾病的前景。
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迷人的織布機
將謝靈頓的願景變為現實的嘗試始於 20 世紀 70 年代初。像數字計算機一樣，神經系統依靠電力執行；神經元以電訊號或動作電位編碼資訊。這些脈衝，通常涉及的電壓不到單節 AA 電池電壓的十分之一，會誘導神經細胞釋放神經遞質分子，然後啟用或抑制迴路中連線的細胞。為了使這些電訊號可見，耶魯大學的勞倫斯·B·科恩測試了大量熒光染料，以瞭解它們是否能夠透過顏色或強度的變化來響應電壓變化。他發現，一些染料確實具有電壓敏感的光學特性。透過用這些染料對神經元進行染色，科恩可以在顯微鏡下觀察它們的活動。
染料還可以透過對特定帶電原子或離子流動的反應（而不是電壓變化）來揭示神經元的放電。當神經元產生動作電位時，膜通道開啟，允許鈣離子進入細胞。這種鈣離子內流刺激神經遞質的釋放。1980 年，現任加州大學聖地亞哥分校的羅傑·Y·錢開始合成染料，這些染料可以透過改變熒光亮度來指示鈣濃度的變化。這些光學報告器已被證明非常有用，為單個神經元和小型網路中的資訊處理打開了新的視窗。
然而，合成染料存在一個嚴重的缺點。神經組織由許多不同的細胞型別組成。估計表明，例如，小鼠的大腦包含數百種神經元型別以及多種支援細胞。由於特定型別神經元之間的相互作用構成了神經資訊處理的基礎，因此想要了解特定迴路如何工作的人必須能夠識別和監測各個參與者，並查明它們何時開啟（產生動作電位）和關閉。但是，由於合成染料不加區分地對所有細胞型別進行染色，因此通常不可能將光學訊號追溯到特定的細胞型別。
基因與光子
光遺傳學的出現源於這樣的認識：基因操作可能是解決這種不加區分染色問題的關鍵。個體的細胞都包含相同的基因，但使兩個細胞彼此不同的是，它們中開啟或關閉的基因混合物不同。例如，在放電時釋放神經遞質多巴胺的神經元需要用於製造和包裝多巴胺的酶促機制。因此，編碼這種機制的蛋白質成分的基因在產生多巴胺的（多巴胺能）神經元中被開啟，而在其他非多巴胺能神經元中保持關閉狀態。
從理論上講，如果將一個開啟多巴胺製造基因的生物開關與一個編碼染料的基因連線起來，並且如果將開關和染料單元工程化到動物的細胞中，則該動物將僅在多巴胺能細胞中製造染料。如果研究人員能夠窺視這些生物的大腦（這確實是可能的），他們就可以在幾乎與其他細胞型別隔離的情況下觀察多巴胺能細胞的功能。此外，他們可以在完整的活體大腦中觀察這些細胞。合成染料無法實現這種神奇的效果，因為它們的產生不受基因開關的控制，而基因開關僅在某些型別的細胞中翻轉為開啟狀態。這種技巧只有在染料由基因編碼時才有效——也就是說，當染料是一種蛋白質時。
最早證明基因編碼染料可以報告神經活動的演示出現在十年前，分別來自錢、加州大學伯克利分校的埃胡德·Y·伊薩科夫和我，以及現任耶魯大學的詹姆斯·E·羅斯曼領導的團隊。在所有情況下，染料的基因都借用自發光的海洋生物，通常是製造所謂綠色熒光蛋白的水母。我們調整了基因，使其蛋白質產物能夠檢測和揭示電壓或鈣的變化，這些變化是細胞內訊號傳導以及神經遞質釋放（使細胞之間能夠進行訊號傳導）的基礎。
藉助這些基因編碼的活動感測器，我們和其他人在動物體內繁殖，其中編碼感測器的基因僅在精確定義的神經元集合中開啟。遺傳學家們喜愛的許多生物體——包括蠕蟲、斑馬魚和小鼠——現在都以這種方式進行了分析，但果蠅已被證明特別願意在光學和遺傳學的聯合攻擊下洩露它們的秘密。它們的大腦結構緊湊，並且在顯微鏡下可見，因此可以在單個視野中看到整個迴路。此外，果蠅很容易進行基因改造，並且一個世紀的研究已經確定了許多用於靶向特定神經元群體的基因開關。事實上，正是在果蠅身上，當時都在紐約市紀念斯隆-凱特琳癌症中心的 Minna Ng、Robert D. Roorda 和我記錄了完整大腦中定義的神經元集合之間資訊流動的首批影像。從那時起，我們發現了新的迴路佈局和新的執行原理。例如，去年我們發現果蠅氣味處理迴路中的神經元似乎向系統中注入了“背景噪聲”。我們推測，增加的嗡嗡聲放大了微弱的輸入，從而提高了動物對氣味的敏感性——更有利於尋找食物。
感測器為我們提供了觀察神經元之間交流的強大工具。但早在 20 世紀 90 年代後期，我們仍然面臨一個問題。大多數探測神經系統功能的實驗都相當間接。研究人員透過將動物暴露於影像、聲音或氣味來刺激大腦中的反應，他們試圖透過在下游部位插入電極並測量在這些位置拾取的電訊號來研究由此產生的訊號通路。不幸的是，感覺輸入在傳播過程中會經歷廣泛的重新格式化。因此，要知道哪些訊號是眼、耳或鼻等器官遠處記錄的反應的基礎，距離這些器官越遠就越困難。而且，當然，對於大腦中許多不致力於感覺處理而是致力於運動、思想或情感的迴路，這種方法完全失敗：沒有直接的方法可以用感覺刺激來啟用這些迴路。
從觀察到控制
直接刺激特定神經元群體（獨立於感覺器官的外部輸入）的能力將緩解這個問題。因此，我們想知道，我們是否可以開發一套工具，不僅提供感測器來監測神經細胞的活動，而且還可以輕鬆地啟用選定的神經元型別。
我的第一位博士後研究員鮑里斯·V·澤梅爾曼（現任霍華德·休斯醫學研究所）和我承擔了這個問題。我們知道，如果我們設法將基因編碼的、光控的執行器或觸發器程式設計到神經元中，我們就可以克服幾個阻礙基於電極的神經迴路研究的障礙。由於一次只能在測試物件中植入有限數量的電極，因此研究人員使用這種方法一次只能監聽或激發少量細胞。此外，電極很難瞄準特定的細胞型別。而且它們必須保持固定，這會妨礙移動動物的實驗。
如果我們能夠利用基因開關來幫助我們找到所有相關的神經元（例如，產生多巴胺的神經元），並且如果我們能夠以非接觸方式使用光來控制這些細胞，我們將不再需要預先知道這些神經元在大腦中的位置才能研究它們。如果它們的位置隨著動物的移動而發生變化，那也沒關係。如果刺激含有執行器的細胞引起行為改變，我們將知道這些細胞正在調節該行為的迴路中運作。與此同時，如果我們安排相同的細胞攜帶感測器基因，則活躍的細胞會亮起，從而揭示它們在神經系統中的位置。據推測，透過在經過工程改造的動物身上重複多次實驗，每次實驗都讓一種不同的細胞型別包含執行器，我們最終將能夠拼湊出從神經元興奮到行為的事件序列，並識別迴路中的所有參與者。我們所需要做的就是發現一種基因可編碼的執行器，它可以將光閃爍轉化為電脈衝。
為了找到這樣的執行器，我們推斷我們應該在通常會響應光產生電訊號的細胞中尋找，例如我們眼睛中的光感受器。這些細胞包含稱為視紫紅質的吸光天線，當被照射時，它們會指示細胞膜中的離子通道開啟或關閉，從而改變離子的流動併產生電訊號。我們決定將編碼這些視紫紅質的基因（以及視紫紅質功能所需的一些輔助基因）移植到在培養皿中生長的神經元中。在這個簡單的環境中，我們可以測試將光照射到培養皿上是否會導致神經元放電。我們的實驗成功了——在 2002 年初，在能夠報告神經活動的第一個基因編碼感測器開發四年後，第一個基因編碼執行器首次亮相。
遙控果蠅
最近，研究人員已經徵募了其他感光蛋白，例如黑視素，它存在於幫助將晝夜節律時鐘與地球自轉同步的特殊視網膜細胞中，作為執行器。法蘭克福馬克斯·普朗克生物物理研究所的格奧爾格·納格爾、斯坦福大學的卡爾·戴瑟羅斯和凱斯西儲大學的斯特凡·赫利茨的共同努力表明，另一種名為通道視紫紅質-2 的蛋白質（它控制藻類的游泳運動方向）勝任這項工作。還有多種基因編碼的執行器，可以透過我們以及伊薩科夫及其加州大學伯克利分校的同事理查德·H·克萊默和德克·特勞納合成的光敏化學物質來控制。
下一步是證明我們的執行器可以在活體動物中工作，這是我向我的第一位研究生蘇珊娜·Q·利馬提出的挑戰。為了獲得這一原理驗證，我們專注於果蠅中一個特別簡單的迴路，該回路僅由少數幾個細胞組成。已知該回路控制著一種明確的行為：一種戲劇性的逃生反射，昆蟲透過這種反射迅速伸出腿以實現起飛，一旦升空，就會展開翅膀並飛行。啟動此動作序列的觸發因素是果蠅大腦中大約 150,000 個神經元中的兩個發出的電脈衝。這些所謂的命令神經元啟用一個稱為模式發生器的下級迴路，該回路指示肌肉移動果蠅的腿和翅膀。
我們發現了一個基因開關，它始終在兩個命令神經元中處於開啟狀態，但在其他神經元中則不處於開啟狀態——以及另一個開關，它在模式發生器神經元中處於開啟狀態，但在命令神經元中則不處於開啟狀態。利用這些開關，我們對果蠅進行了工程改造，使其命令神經元或模式發生器神經元產生我們的光碟機動執行器。令我們高興的是，這兩種果蠅都在雷射束閃爍時起飛，雷射束足夠強大，可以穿透完整動物的角質層併到達神經系統。這證實了命令細胞和模式生成細胞都參與了逃生反射，並證明了執行器按預期工作。由於只有相關的神經元包含基因編碼的執行器，因此只有它們“知道”對光學刺激做出反應——我們不必將雷射瞄準特定的目標細胞。這就像我們在一個擁有 150,000 戶人家的城市中廣播無線電訊息，其中只有少數人家擁有解碼訊號所需的接收器；訊息對其他人來說仍然是聽不見的。
然而，仍然存在一個令人煩惱的疑問。啟動逃生反射的命令神經元與來自眼睛的輸入連線。當“熄燈”過渡期間（例如，當逼近的捕食者投下陰影時），這些輸入會啟用逃生迴路。（您可以從您拍打蒼蠅的嘗試中瞭解到這一點：每當您將手移動到位時，動物都會煩人地跳起來飛走。）我們擔心，在我們的案例中，逃生反射也可能是對雷射脈衝的視覺反應，而不是直接光學控制命令或模式生成迴路的結果。
為了消除這種擔憂，我們進行了一個非常簡單的實驗：我們切掉了果蠅的頭部。這給我們留下了無頭無人機（可以存活一兩天），它們在其胸神經節內藏有完整的模式生成迴路，胸神經節大致相當於脊椎動物的脊髓。用光啟用這個迴路推動了原本靜止不動的身體進入空中。儘管無人機的飛行通常以翻滾的不穩定性開始，並以壯觀的墜毀或碰撞結束，但它們的存在證明了雷射控制著模式生成迴路本身——這些無頭動物沒有其他方法可以檢測和響應光。（無人機笨拙的機動也生動地說明了萊特兄弟的偉大創新是發明了受控動力飛行，而不僅僅是動力飛行。）
我們還對果蠅進行了工程改造，使其光開關僅連線到製造神經遞質多巴胺的神經元。當暴露於雷射閃光時，這些果蠅突然變得更加活躍，在它們的圍欄周圍到處走動。之前的研究表明，多巴胺有助於動物預測獎勵和懲罰。我們的果蠅研究結果與這種情況一致：這些動物不僅變得更加活躍，而且還以不同的方式探索它們的環境，就好像對收益或損失的預期發生了改變一樣。
意想不到的先驅
在報告這些實驗的論文計劃在《細胞》雜誌上發表的前三天，我正在飛往洛杉磯發表講座。一位朋友給了我湯姆·沃爾夫最近出版的青春期小說《我是夏洛特·西蒙斯》，認為我會喜歡它對神經科學家的描寫，更不用說這本書為它贏得了《文學評論》“小說中糟糕性愛獎”的素材了。在飛機上，我看到一段文字，其中夏洛特參加了一場關於何塞·德爾加多工作的講座，他也遠端控制動物行為——不是使用光碟機動的基因編碼執行器，而是使用無線電訊號傳輸到他植入大腦的電極。德爾加多是一位西班牙人，他冒著生命危險透過阻止一頭憤怒的公牛衝鋒來證明他的方法的力量。沃爾夫小說中的講師宣稱，這是神經科學的轉折點——是對二元論的決定性擊敗，二元論認為心靈是作為與大腦分離的實體而存在的。因此，如果德爾加多對大腦的物理操作可以改變動物的思想，那麼這兩個必須是同一件事。
我差點從座位上摔下來。德爾加多是虛構人物，還是真實人物？抵達洛杉磯後，我立即進行了網路搜尋，並被引導到一張鬥牛士手持遙控器和他的公牛的照片。我瞭解到，德爾加多曾是我自己機構耶魯大學的教授，並寫了一本書，題為《心靈的物理控制：邁向精神文明的社會》，該書於 1969 年出版。在書中，他總結了他控制運動、喚起記憶和幻覺以及引發快樂或痛苦的努力[參見約翰·霍根的“被遺忘的腦晶片時代”；《大眾科學》，2005 年 10 月]。本書最後討論了控制大腦功能的能力可能對醫學、倫理、社會甚至戰爭產生什麼影響。在這種背景下，當我們的論文發表當天電話響起，一位美國記者問道：“那麼，我們什麼時候會用遙控果蠅軍隊入侵另一個國家？”時，我可能不應該感到驚訝。
媒體的關注並沒有就此停止。第二天，《德拉吉報道》的頭條新聞尖叫著“科學家創造遙控果蠅”，蓋過了邁克爾·傑克遜最新的出庭新聞。我猜想正是這個訊息來源啟發了大約一週後在《今夜秀》中的一個小品，主持人傑·雷諾在小品中駕駛遙控果蠅進入了喬治·W·布什總統的嘴裡——這是我們新技術的第一個實際應用。
從那時起，研究人員已經使用光開關方法來控制其他行為。去年 10 月，戴瑟羅斯和他的斯坦福同事路易斯·德·萊西亞宣佈了一項小鼠研究的結果，在該研究中，他們使用光纖將光直接傳遞到產生下丘腦分泌素的神經元——下丘腦分泌素是一種小蛋白質或肽形式的神經遞質——以檢視這些神經元是否調節睡眠。研究人員懷疑下丘腦分泌素起著這種作用，因為某些品種的缺乏下丘腦分泌素受體的狗會突然發作嗜睡症。這項新工作表明，在睡眠期間刺激下丘腦分泌素神經元傾向於喚醒小鼠，這支援了該假設。
在我在耶魯大學的實驗室裡，博士後研究員 J·迪倫·克萊恩使用基因編碼的執行器來深入瞭解兩性之間的行為差異。許多動物物種的雄性都會竭盡全力來追求異性。以果蠅為例，雄性會振動一隻翅膀來產生雌性認為非常無法抗拒的“歌曲”。為了探究這種嚴格的雄性行為的神經基礎，克萊恩使用光來啟用負責歌曲的模式發生器。他發現雌性也擁有歌曲製作迴路。但在正常情況下，它們缺乏開啟歌曲製作迴路所需的神經訊號。這一發現表明，雄性和雌性的大腦在很大程度上以相同的方式連線，而性行為的差異源於戰略性放置的主開關的作用，這些開關將回路設定為雄性或雌性模式。
光療
到目前為止，研究人員通常對動物進行工程改造，使其在感興趣的神經元中攜帶感測器或執行器。但也可以為它們配備兩者。展望未來，我們希望能夠培育出具有多個感測器或執行器的受試者，這將使我們能夠同時研究同一受試者中的不同神經元群體。
我們新發現的對神經迴路的控制權為基礎研究創造了巨大的機遇。但是否存在實際的好處？也許有，儘管我覺得它們有時被過度炒作了。德爾加多本人確定了直接控制神經功能可能帶來臨床益處的幾個領域：感覺假肢、運動障礙療法（正如現在帕金森病深部腦刺激療法已經成為現實的那樣）以及情緒和行為調節。他將這些潛在用途視為現有醫療實踐的直接和合理延伸，而不是令人擔憂地涉足“精神控制”的倫理泥潭。事實上，在影響大腦功能的物理手段和化學操作（無論是精神藥物還是幫助您在辛苦一天後放鬆的雞尾酒）之間劃出明確的界限似乎是武斷和虛偽的。事實上，物理干預可以說是比藥物更精確地靶向和給藥，從而減少副作用。
一些研究已經開始探索光遺傳學在醫學問題中的適用性。2006 年，研究人員使用光啟用的離子通道來恢復光感受器退化小鼠中倖存視網膜神經元的光敏性。他們使用病毒將編碼通道視紫紅質-2 的基因傳遞到細胞中，直接將其注射到動物的眼睛中。修補好的視網膜向大腦傳送了光誘發的訊號，但該手術是否真正恢復了視力仍然未知。
儘管光遺傳學療法具有理論上的吸引力，但在人類中面臨著一個重要的實際障礙：它們需要在腦中引入外源基因——編碼光控執行器的基因。到目前為止，基因治療技術尚未達到這一挑戰，美國食品和藥物管理局對相關風險感到非常擔憂，因此暫時禁止了此類干預措施，除非用於嚴格限制的實驗目的。
我們對大腦回路（甚至其他電可興奮細胞，例如產生激素的細胞和構成肌肉的細胞）的控制所提供的直接機會在於揭示藥物的新靶點：如果對細胞群 X、Y 和 Z 的實驗性操作導致動物進食、睡覺或冒險行事，那麼 X、Y 和 Z 就是治療肥胖症、失眠症和焦慮症的潛在藥物靶點。尋找調節神經元 X、Y 和 Z 的化合物很可能為目前尚無療法的疾病帶來新的或更好的治療方法，或為現有藥物帶來新的用途。還有許多有待發現，但光遺傳學的未來一片光明。
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注意：本文最初印刷時的標題為“點亮大腦”。