研究人员用蓝色闪光激发转基因小鼠体内的神经元使其发出电脉冲。这就是一个光遗传学的例子，其中产生了不同的脑电波，使小鼠的触觉更敏感。
按下开关，就可以控制灯、风扇或各种电器的启动关闭，而大脑中的神经细胞则是这份清单上的新成员。在过去的10年中，研究人员找到了用光控制大脑神经细胞，即神经元的方法。
这一新领域叫做光遗传学（optogenetics）。“opto”是与“光”有关的词汇的前缀；遗传学处理的是编码在基因中的生物学指令。顾名思义，这项新技术就是用光启动或关闭基因控制的脑细胞活动。
Keith Bonin是位于美国北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆的维克森林大学的物理学家，“革命性”来形容这项新技术。他认为新技术可以“使我们更好地了解大脑的工作原理”。
大脑是我们所有活动的指令中心，聚集着大约860亿个神经元，这些神经元又分为许多不同类型。大头针帽大小的面积可容纳多达10万个最小的神经元。
为了了解动物运动、学习、行为举止背后的原理，科学家们曾经只能靠等待和观察，期待能出现预期的事件或行为。这种情况一去不复返了。有了光遗传学，科学家们就可以按一下开关来控制这些任务或行为了。一个光开关。
这项新技术正打开一个研究新思路。例如，科学家开始了解健康大脑中的情况——当然还有大脑发生紊乱时的变化。
找到正确的化学开关
CHRISTA J. VAN DORT ET AL.，麻省理工学院
麻省理工学院的研究人员用光遗传学方法刺激小鼠大脑，使其产生快速眼动睡眠，并制作了这幅图。左图展示了一种化学信号物质乙酰胆碱，中图展示了光敏感的离子门，右图是两图的重叠。
从各方面来看，大脑都可以称为“活电脑”。它可以接收数据，将数据加工成信息，再产生一个回应。这一过程都是通过电来完成的，与电脑的工作过程无异。
在电脑上，我们可以轻易地键入数据并运行程序观察结果。科学家们很早之前就希望可以对大脑进行上述操作，然而这并不容易。
“大脑可没有键盘。”Ed Boyden说，他是麻省理工学院的一名神经学家。2004年光遗传学首次启用时，他正是团队一员。
蛋白质是组成活细胞及其他组织基础的分子，许多蛋白质还是细胞内外执行功能的分子。Boyden的小组确证了蛋白质分子对光敏感。因此，蛋白质分子就成了光遗传学的关键。
人体眼球中含有视蛋白（opsin），就是光敏感蛋白中的一员。当光到达眼球后方视网膜上的细胞时，视蛋白就会激发电信号，该信号随后立即传递到大脑，大脑再将这些信号转换为视觉。
许多细菌、真菌、藻类和植物也都含有视蛋白。许多视蛋白的角色类似于看门人。将这个门想作一个单向的十字转门，Bonin说。当光线照射到转门时，视蛋白就允许一个离子——一个带电荷的原子或分子——通过。根据这个门的开合，视蛋白可以启动或关闭一个神经元的功能活动。
一些门允许带正电荷的Na+或H+通过，因此产生电流。如果电流达到某一特定大小，神经元就会启动，产生一个电脉冲。另一些门允许带负电荷的Cl-通过，会使神经元功能关闭，阻止其活动。
这两种离子门均引起了研究者的兴趣。“我们对神经元有各种需求。”Boyden解释道，“有时我们希望启动神经元的功能活动，有时又想阻断神经元的活动。”
设计开关
美国国家癌症研究所（National Cancer Institute）
神经元的轴突和树突能够帮忙传输电信号。树突将信号传递到神经元体，轴突则负责将信号输出神经元。
动物的大脑普遍不含视蛋白，但是科学家可以将来自其他有机体的基因插入大脑中细胞的基因组中，从而制造出视蛋白。用这种基因工程的方法，脑细胞就可以在新插入的基因的指令下编码视蛋白。
为了让光线到达细胞，研究人员向实验室动物，譬如小鼠或大鼠的脑细胞中植入微小的光纤探头——实质上就是塑料导线。“我们通过探头将光线直接送入大脑内部。”Zayra Millan解释道，她是约翰霍普金斯大学的神经学家。当光线到达神经元后，细胞中新产生的视蛋白就会作为守门人开始工作。例如，如果电门打开，电流到达阈值时，神经元就会发出一个电脉冲。
这个电脉冲会在细胞中传递下去，直到终点。在终点，脉冲会刺激细胞向细胞间隙释放一些化学物质（一种神经递质），这个间隙即突触，将神经递质与相邻神经元上的受体分开。Millan解释道，这就是脑细胞间沟通的方式。
“这其实就是大脑工作机制的关键——突触传导。”Carl Petersen说。他和Aurélie Pala都是位于洛桑市的瑞士联邦理工学院的神经学家。他们在活的小鼠体内，用光遗传学方法测量了个体脑细胞间的信息交流。
EVGENY BUDYGIN，维克森林大学医学院
这张图片展示了维克森林大学的研究人员用激光和光纤电缆将光线传输至小鼠大脑靶向部位的经过基因修饰的细胞内的过程。这束光线随后会激发使神经元产生电脉冲的活动。
通过向实验动物大脑内添加视蛋白基因，“我们能从遗传学上定位特定细胞”。Peterson解释道。“仅用光线照射（那些细胞），我们就能够激活细胞，并观察细胞驱使的信号类型。”他还指出，持续仅1毫秒的光线照射就足以使神经元产生电脉冲。
他和Pala关注一种叫做谷氨酸盐的化学信使。他们发现，神经元向突触释放谷氨酸盐（glutamate）的多少取决于受体所在神经元的类型。了解这一点有助于进一步探索不同类型的神经元间联系的工作机制。他们的发现发表在了1月7日发行的《神经元》（Neuron）上。
多巴胺（Dopamine）是大脑中另一种传递信息的化学物质。在自然条件下，大脑神经元在很多情况下都会分泌这种化学物质。一些神经元释放多巴胺使机体做出特定活动。另外一些神经元在动物体感到愉快或满足时也会释放多巴胺。实践并达成一个目标就是一个健康的例子。
神经元在应答不健康行为时也会可以释放多巴胺，例如酒精或药物上瘾时。如今，利用光遗传学方法，研究人员就可以检测促进实验动物大脑多巴胺分泌的治疗方法是否能够抑制个体对酒精或药物的渴望。
北卡罗来纳大学教堂山分校，STUBER实验室
红色表示大脑伏核部分的神经细胞，绿色表示来自杏仁核的神经元发出的将信号传输至伏核的神经纤维
2年前，维克森林大学的Bonin和团队成员用光遗传学方法刺激大脑伏核区域释放多巴胺。可以肯定的是，对大鼠进行了250次5次/秒的光脉冲刺激后，大鼠戒断了饮酒习惯。而频率更高，但总时间缩短的光脉冲刺激则不会产生同样效应。科学家们将该发现发表在《行为神经科学前言》（Frontiers in Behavioral Neuroscience）。
约翰霍普金斯大学的Millan最近的一项研究也关注了饮酒。研究中使用了持续5秒的闪光，刺激一个从大脑杏仁核开始的脑回路。杏仁核深埋于大脑中，这一回路将杏仁核与伏核联系起来，而伏核也处于大脑内部，不过更接近面部。
“我们刺激或启动这一回路时，就可以阻止动物饮酒。”Millan说。2014年11月，她在美国神经科学协会年会上展示了这一发现。
以上2项研究都为科学家们更好地了解脑回路工作机制提供了帮助，也许还提示了一个治疗成瘾的方法。譬如，科学家们如今可以用药物或其它技术定位靶细胞。
颜色选择
在光遗传学中，神经元“看到”的光的颜色也很重要。细胞“只对特定频率的光产生反应，”Millan解释道。（光的颜色主要由频率测定——或者该电磁辐射每秒传播的波长个数。）在她对大鼠的研究中，大脑中的视蛋白只在蓝光的刺激下才引起特定神经元产生电脉冲。
A. PALA，C. PETERSEN，瑞士联邦理工学院
大脑中的神经元分为很多类型。这些细胞之间通过突触隔开。
相反，Joaquim Alvesda Silva则在研究用到了绿光。他是葡萄牙未知技术研究中心的神经学家。他的团队利用绿光抑制或阻断小鼠大脑中的特定神经元释放多巴胺。这样做的目的是更好地了解多巴胺在运动中的作用。这些信息也许能提示一个针对运动失调，例如帕金森病的新疗法。帕金森病特征性的震颤症状就是多巴胺分泌不足引起的。Alves da Silva也在2014年神经协会年会上展示了绿光的实验数据。
一些神经元甚至对红光也会产生应答。2014年，Boyden的团队发现一种藻类的视蛋白，称为Chrimson。红光可使这种蛋白兴奋，或启动神经元。该团队将研究成果发表在2014年3月发行的《自然方法》（Nature Methods）上。
2014年8月，Boyden的团队在《自然神经科学》（Nature Neuroscience）杂志报道了第二种红光敏感视蛋白，这种蛋白能阻断神经元产生电脉冲。他们是在一种单细胞海洋生物古菌（archaeon）中发现了这种叫做Jaws的视蛋白。
这些视蛋白的发现拓展了科学家们的研究类型的范围。Bonin解释，比如可以进行一项研究，检测用2种视蛋白分别激活2种神经细胞与只激活一种细胞是否会有区别。
红光的波长比其它色光的波长长。“红光可以深入到大脑内部。”Boyden指出。这也就意味着科学家们可能不需借助光纤探头的帮助就可使红光抵达靶细胞。
无限可能
光遗传学的本事可不仅仅是启动或阻断神经元信号。除视蛋白外，科学家还能利用很多蛋白质影响细胞中的进程。
最近，科学家们发现了一种用光控制细胞中动力蛋白的方法。“动力蛋白可以沿细胞中的蛋白质纤维行走，每一步可行进8~30纳米的距离。”Lukas Kapitein解释道。他是荷兰乌特勒支大学的细胞生物学家。（1纳米等于10亿分之一米）
在细胞中，动力蛋白充当搬运工的角色，但只有在动力蛋白与“货物”相连时才会发挥搬运作用，就像拖车只有在钩住有拖拽功能的卡车才能拖运货物一样。
Kapitein和他的团队发现了一个用光线引发上述连接的方法，从而使物质移动。他说，现在，“我们真的可以控制细胞内的交通了”。今年1月，他的团队在《自然》（Nature）杂志上阐述了这种方法的机制。这一方法可帮助研究人员对大脑或其它部位的细胞形成、结构、功能有更好的理解。
PETRA VAN BERGEIJK等，乌得勒支大学
乌得勒支大学的研究人员用蓝光促使神经细胞内的蛋白质将特定的细胞器移动至细胞最外端，也就是接受相邻细胞信号的部位。这一行为可能在神经元生长及细胞间沟通的过程中起到了作用。
10年前的夏天，Boyden的团队发表了光遗传学的第一个研究成果。从那以后，光遗传学打开了一条探究神经元工作机制的新途径。而下一个10年，科学家们将了解得更多。
例如，光遗传学“可以更好地了解如何治疗不同的精神及神经紊乱。”Bonin预测。这些知识可以为一系列疾病提供新的药物和疗法。
也许某一天，光遗传学本身就可以成为一种疗法。如果红光可以不植入探针即到达细胞，那实现的可能性就更大了。“理想情况是用非侵入式方法达到治疗的目的。”Boyden说——即不用物理方法打开身体，或在体内置入工具。
想象一下用光来治疗上瘾、阿尔茨海默病、帕金森病或其它失调症状吧。所有这一切皆始于我们对大脑工作原理的更深入的了解。
翻译：谢梦莹
审稿：董子晨曦
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