生命科学重大突破奖：破解大脑密码 

用激光照射经遗传工程处理过的啮齿动物大脑，并启动一系列神经细胞。

图片来源： Deisseroth实验室，斯坦福大学／HHMI

        光遗传学大概是如今神经科学界最时髦的术语。光遗传学是指用光调控经由遗传基因技术修饰过的细胞。这项结果可以像控制床头灯一样控制大脑细胞的开关。

        这 项技术让神经学家们取得难以想象的功绩，并且其中两位发明家——斯坦福大学和霍华德休斯医学院的卡尔·戴斯洛斯（音译Karl Deisseroth）和麻省理工学院的艾德·博伊登（Ed Boyden）在11月8日获得了生命科学重大突破奖，以资表彰。这项技术可以调控与运动控制相关的神经回路——例如，轻轻按动开关让动物跑圈。该技术甚 至可以标识或调整记忆，如同老鼠探索不同的环境。这类试验让研究人员坚信特定神经回路的生物电活动和不同行为认知间的因果关系，也使光遗传学成为现在广泛 运用于神经科学的方法之一。

        随着光遗传学日益普遍，越来越多的新花样也蜂拥而至。新突破标志着从始至今的技术进步。研究人员设计拓展光遗传学的方法，从而实现在大脑运行过程中与游走在脑内的信号进行实时“对话”。

        光 遗传学这个术语通常指“操纵”神经细胞。研究人员将光敏蛋白质基因嵌入细胞中。之后这些细胞在表面生成此类蛋白质。当这些细胞感光后，细胞离子通道打开， 带电粒子（正价钠离子）进入神经细胞，激发一个动作电位，并传送电信号至其它细胞。最常见的蛋白质是“紫红质通道蛋白”，起初在水藻中发现。不过还有一种 从埃及盐湖的细菌中发现的蛋白质却有相反的效果。负离子，而非正价（氯）离子，进入神经细胞，使其不被激活。因此研究人员通过光照射这两种操作蛋白质来调 控神经细胞。研究人员可以用光学纤维电缆自由调节动物体内的神经细胞，并观察对行为的影响。

        基因的传送需要不同形式的基因调控。不同的基因在不同的细胞中被激活或表达，因此基因和特定的基因序列有关，这称为启动子，即该基因序列只在特定的细胞种类中活动，因此确保蛋白质只在目标区域中生成。

        普遍而言，光遗传学指细胞间用基因和光学进行交流的方式——这意味着除了开关神经细胞，还需要观察细胞活动。非基因途径，例如曾经尝试用增加细胞亮度的荧光染料激发细胞活动，但不能精确地作用到指定细胞。

        一 种观测细胞活动的新方法利用同种基因靶向方法控制细胞活动，不同之处在于，指示蛋白通过基因变异的方式被整合进锁定细胞内。这些指示剂通常由对细胞活动敏 感的蛋白质组成，连接到荧光蛋白，因此这些指示剂根据细胞活动发光。将基因靶向的光学读取数据与控制细胞活动的标准设备相结合，从而发挥光遗传的潜力。研 究人员通过这种连接仅通过光脉冲就可掌握指定神经群体的双向活动。一旦这些技术难题得以解决，研究人员就可运用到单神经元上，在一定程度上可以时刻与清醒 的正在运行的大脑进行对话，这在以前是难以实现的。

        近 期在芝加哥举办的神经学会会议上，一些重要的研究人员提到“全光学检测神经回路”，并且共同编写了刊登于《神经科学》的附注评论。他们概括了相关难题，介 绍了克服这些难题的开拓性研究。这项研究一方面有望令我们更清晰的理解大脑内部活动关系，另一方面也揭示了认知、行为和情感之间的联系。这与旨在鼓励探究 新方法以探索神经信号和认知关系的“美国脑”计划不谋而合。

        其中一位演讲者，同时也是论文作者之一，是位斯坦福大学戴斯洛斯实验室的神经学家兼临床精神病学家。他和同事博伊登，即此次生命科学突破奖得主，一起发展以原光敏感通道为基础的感光性促动细胞。戴斯洛斯的研究一向专注于精神病学。

        这项新研究旨在突破已有的技术限制。两种主要的基因植入指示剂在全光学仪器中很常用。钙指示剂是利用当神经细胞被激活后，钙通道打开，钙离子扩散。指示剂的作用是利用这个方法使钙敏蛋白变形，然后影响荧光蛋白发光。但主要难题是速度。

        “钙 信号很慢，它们持续一秒左右，但大脑速度比这稍快，”伦敦帝国学院光遗传学和回路神经学主席托马斯·克内费尔（ThomasKn?pfel）说道。他没有 在这次会议中演讲。另外，即使没有激发神经细胞，钙水平也会改变。这是因为钙在信号中只是起到代理作用作用，研究人员真正关注的是电压。

        克内费尔研究基因编码的电压指示器20年了。相比钙指示剂，主要的问题在于电信号在逐渐减弱因此更难以探测。信号速度更快，问题就更严重，即曝光时间更短。这些信号也会变得更密集。

        另一个难题是观测或刺激大脑深处的细 胞。传统单光子显微镜的深度贯穿和成像质量都很差——光子都被生物组织吸收和分散。双光子显微镜可克服这种需要近红外光的问题。较长波长的光能穿入组织， 但因为光子的能量较少，只有两个光子才足以影响并激活蛋白质。“双光子”也因此得名。这项技术的优点是只有在焦点光斑的蛋白质才会被激活，但这也意味着当 我们尝试刺激神经细胞时没有多少通道被激活，也许数量不足以触及峰值。

        解 决这项问题有两种办法：一是利用扫描激光器，可以迅速扫描通过目标物（一个或多个细胞）的镭射光，连续刺激多个通道。另一种方法是平行处理，利用全息技术 将光成形成所需图斑，同时照亮所有目标物。这种方法甚至可以生成3D图像，刺激不同深度的细胞。主要的优点是它速度快。“需要精确控制峰值时间的应用最好 使用平行处理。”巴黎第五大学神经光子学实验室的瓦伦蒂娜·埃米利亚尼（ValentinaEmiliani）说道。她是这次会议上演讲她们团队全息研究 的主要评论作家。

        然 而，最大的障碍是克服在刺激和记录光影响的活动中波长互相重叠的情况。这非常困难，因为作为指示剂的蛋白质需要被光激发才能发出光。“用于成像和光刺激的 化合物具有很多重复的光谱，”埃米利亚尼说道，“很难在准备成像的同时又确保不进行光刺激。”此外，研究人员必须留意他们记录的指示剂信号没有被引起光刺 激的波长所损坏。

        越 来越多关注在这个领域的研究现在着重于寻找波长不会重叠的蛋白质。例如，哈佛大学生物物理学家亚当·科恩（Adam Cohen）和他的团队与麻省理工大学的艾德·博伊登团队一起发表了研究，该研究将一种偏向蓝波的光敏感通道与发出近红外光束的电压指示器相结合。在渐冻 症患者体内提取的干细胞培养环境中，研究团队在活鼠体内注入QuasAr指示剂，当电压器显示红色时用蓝光刺激神经细胞。他们打算之后在活体动物上测试这 种组合。

        一旦这些难题被攻克，全光子技术将称 为神经科学界的一项革新，使研究人员在实验动物的自由活动的同时，无论是个体神经元或多个神经元都可以控制和观测精确到单峰值。“这项结果将开启一个新的 实验领域，”伦敦大学学院的神经学家迈克尔·豪瑟（Michael Hausser）说道。他和埃米利亚尼同是此次会议主席。“揭开光遗传学的神秘面纱不但需要关注于基因定义的细胞种类，还要根据功能特性指定靶细胞，而不 是仅仅只关注细胞的基因特性。”

        换言之，比起被动监视或观测实验结果 （必须预先控制好这些实验的神经细胞刺激水平），这些创新可让研究人员根据细胞目前的活动来刺激细胞。“如果你可以根据细胞活动的模式来修改相应的刺激， 那么你就能随时随地操纵细胞了，”豪瑟解释道。“比如，在一个决策实验中，如果你可以实时追踪神经细胞群体活动，那么你就可以更有效地通过控制细胞群体的 形态来影响行为。”

        “相比我们之前所做的，这是两项扭转战局进步：瞄准功能性群体和实时调控神经元活动，”豪瑟说道。“最终这些进步将帮助我们解释驱动我们行为的大脑神经密码。”

翻译：焦亦卉   审校：梁锘