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光遺傳學這個新興領域的創新性進展，可能為研究活體人腦提供新方法，並有望帶來創新性的治療用途。
自古以來，哲學家、解剖學家和科學家就一直在思考大腦的內部運作機制。探索這個黑匣子的努力始終是問題多於答案。畢竟，正如笛卡爾時代的解剖學家沒有找到複雜時鐘的齒輪一樣，16世紀的鍊金術士也沒有在我們的頭腦中找到真正的小矮人。
電流計和腦電圖 (EEG) 為探索大腦的電活動開闢了道路，但它們主要告訴我們，我們對大腦的運作方式知之甚少。隨後的研究揭示了數千種神經元錯綜複雜地組織和相互連線，形成了一個龐大的網路，普通成年人擁有大約 1000 億個細胞。單個神經元根據數千個上游細胞的輸出被啟用，然後又促成數千個下游神經元的啟用。即使後來的技術（如 fMRI 和 MEG）提供了更高的空間和時間解析度，大腦的語言仍然是一個謎。
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然後在 2000 年代，一種名為 光遺傳學 的新技術被開發出來，它使科學家能夠以前所未有的方式研究神經元的行為。該技術涉及將神經元與編碼視蛋白的基因拼接，視蛋白是在光照下啟用的有機分子。然後可以透過光纖用閃光觸發這些神經元，使其放電。當與其他神經影像技術結合使用時，該工具提供高水平的空間和時間解析度，以及即時的行為反饋。
然而，光遺傳學只能帶我們走這麼遠。當涉及到基因改造人腦的想法時，仍然存在相當大的倫理和安全問題。因此，這項技術一直僅限於培養皿和實驗室動物實驗，但由於一種暫定名為“光電容”的相關方法，在人體受試者中的應用可能有一天會成為可能。
這種新程式採用了一種不同的方法來外部啟用神經元，這個過程通常被稱為神經調節。2011 年，芝加哥大學生物化學和分子生物學 Lillian Eichelberger Cannon 教授米哈伊爾·沙皮羅博士及其合作者，包括弗朗西斯科·貝扎尼拉，發現了透過改變神經元膜電容來啟用神經元的機制。這是透過紅外光脈衝產生的熱量完成的。但是紅外線刺激在靶向方面效果不佳，而且產生的熱量容易損壞細胞。
在此基礎上，伊利諾伊大學芝加哥分校眼科和視覺科學 Searls-Schenk 教授大衛·佩珀伯格博士和貝扎尼拉開始使用金奈米粒子，以便更準確地靶向體外細胞。這些奈米粒子直徑僅為 20 奈米，吸收光脈衝並將其轉化為非常區域性的熱量，從而引發所需的非常特定的神經元啟用。但是這些奈米粒子比人類血細胞小 300 倍，它們並沒有停留在原位，而是迅速擴散到神經元的周圍環境中。為了更好地將它們結合到目標神經元上，該團隊將它們與基於蠍毒素 Ts1 的合成分子結合。這些與 Ts1 耦合的奈米粒子與細胞的鈉通道結合，並且可以重複刺激。使用毫秒級的脈衝光，單個神經元在半小時內產生了 3000 多個動作電位，沒有功效損失或明顯的損傷。
雖然這種使用被稱為配體結合奈米粒子的方法是有效的，但是，它不允許啟用對 Ts1 沒有特異性反應的神經元。為了開發一種更通用的方法，貝扎尼拉、佩珀伯格及其團隊轉而將金奈米粒子與抗體結合，這些抗體與離子通道 TRPV1 和 P2X3 結合。與 Ts1 粒子類似，即使在長時間連續沖洗後，這些分子在被光觸發時仍能繼續啟用細胞。這意味著奈米粒子可以與不同的抗體結合，以靶向不同的細胞型別，甚至是非神經元群體。
與 Joao L. Carvalho-de-Souza、Jeremy S. Treger、Bobo Dang 和 Stephen B.H. Kent 共同撰寫，並發表在 2 月份的《Neuron》雜誌上的這項研究，具有許多潛在的用途。我與貝扎尼拉和他的合作者進行了交談，他們解釋說，光電容具有與光遺傳學相似的空間和時間解析度，同時避免了對靶細胞進行基因改造的需要。貝扎尼拉提到的光電容另一個更有趣的區別方面是，“它很可能適用於任何可興奮的細胞，使用合適的抗體來靶向所需的細胞型別。”
因此，光電容可以用於研究各種細胞型別和器官，而不僅僅是神經元，並且可能具有相當大的體內研究用途，以及治療應用。例如，在黃斑變性和某些其他視網膜疾病中，光感受器已經退化，阻止它們向視網膜神經節細胞和大腦傳送訊號。使用光電容，可能可以繞過失效的細胞，並透過不同的機制刺激視覺通路，從而恢復視力。
“這項技術應該適用於任何需要在大腦或周圍神經中刺激特定神經元的治療方法，”貝扎尼拉告訴我。但他也指出，“在應用於人體受試者之前，還需要進行大量研究。在沒有對活體動物進行真實測試的情況下，現在進行更多推測還為時過早。”
我還推測，這項技術有一天可以改進我們將機器人和神經假體與我們身體整合的方式。各種裝置與我們的神經系統之間的直接連線可能成為可能，從而提供改進的感官反饋，並取代諸如 靶向肌肉神經支配 (TMR) 等控制方法。
研究團隊創造了“光電容”一詞，因為光誘導細胞膜電容的改變，使膜去極化，“啟用鈉通道併產生動作電位。” 雖然現在還處於早期階段，但光電容是一種很可能為人類大腦的內部運作機制以及更多方面帶來新曙光的技術。