光遗传学不仅能用于研究高级复杂的神经活动,成为探知大脑秘密的钥匙,还能用于临床上的治疗,有望将这项技术应用于视网膜病变失明的患者身上,让患者重见光明。
 

  神经生物学先驱卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)曾将他看到的脑组织喻为“坚不可摧的丛林”,以示其结构复杂、探索艰难。

 

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  而自从伽利略时代起,“想研究,先控制”就成了科学探索的圭臬,只有能够控制实验现象中的各个变量,才看穿纷繁复杂的表面现象背后抽象的理论。神经科学也不例外,想要研究大脑这样一个由数百亿神经细胞组成的超级复杂的神经网络,科学家迫切需要一种能精确的选择性刺激某一区域内某一种神经细胞的独特技术。

 

  那就是近年来新兴的“光遗传学”。

 

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光遗传学(Optogentics)荣获顶级科学杂志《Nature》的年度技术桂冠。

 

  什么是“光遗传学”?

 

  光遗传学,就是运用遗传学原理,将光敏离子通道(主要为视蛋白)特异性表达在特定类型神经细胞上的技术。从而可以让科学家通过光刺激改变这些神经细胞的放电模式,研究它们的功能。

 

  光遗传学乍一看很复杂,实际上思路却很简单。

 

  首先是“光”的部分,科学家从各种生物中筛选分离出一批对光敏感的独特蛋白——视蛋白,然后找到编码这些蛋白的基因片段。所谓视蛋白,就是一个附着于细胞膜上的光敏离子通道,在受光刺激后打开并向细胞内运送特定的某种离子,从而对细胞的电活动加以控制。视蛋白家族广泛分布于各种生物体内,并不神秘,我们眼睛的视网膜上就有长满了视紫红质(一种视蛋白)的视锥细胞和视杆细胞,正是他们将光线转化为电信号送到大脑,最终让我们在大脑视皮层里形成五彩缤纷的视觉。见下图:

 

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各种各样的视蛋白。引自: Yuan Mei, Feng Zhang.(2012) Molecular Tools and Approaches for Optogenetics. BIOL PSYCHIATRY, 71, 1033–1038.

 

  而如何让这些神奇的视蛋白进入到脑子里呢?

 

大图

 

  那就有请“遗传”的部分登场了。通过基因工程,科学家构建出了携带有特定种类视蛋白基因的病毒载体,用它们感染培育好的实验动物,再通过各种操作将视蛋白特异性的表达在某一类神经细胞上。从此,一类新的转基因实验动物诞生了,它们脑内将有且仅有这一类神经细胞对光敏感。

 

  大功告成啦!

 

  我们可让激光以高空间精度、高时间精度、高细胞特异性的照射来刺激目标细胞,同时观察大脑的各种反应,为研究不同神经细胞之间的功能连接提供便捷的实验控制手段(见下图)。

 

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激光照射时可选择性刺激有视蛋白的X类神经细胞而不影响附近的Y类,可以单独研究X类神经细胞对目标细胞Z的作用,而传统的电极刺激会同时激活XY两类细胞。引自: Ryan T. LaLumiere.(2011) A new technique for controlling the brain: optogenetics and its potential for use in research and the clinic. Brain Stimulation, 4, 1–6.

 

  目前的研究进展和困境何在?

 

  这项技术一经推出就成了神经科学界的“香饽饽”,立刻被各个实验室广泛用于各种脑科学研究。斯坦福大学的研究人员在实验动物大脑额叶表达视蛋白后进行的研究最终定位了一批对行为发起极为重要的神经元,为探索决策机制和治疗抑郁症做出了重大贡献。圣迭戈医学院的研究者则利用光遗传刺激人为诱发了实验动物神经细胞的长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD),并以此控制了记忆形成的过程,推动了记忆形成的研究。日本的诺奖得主利根川进也跳出原有的免疫学研究领域,转而投入了通过光遗传学对神经系统的研究,他通过光遗传学技术成功使小鼠对记忆和情绪的关联发生异常,为探索情绪和记忆之间的关系做出了突出贡献。而我国学者也紧跟科学技术浪潮,利用光遗传技术对嗅觉、行为动机以及帕金森病等神经系统疾病展开了大量研究,走在世界前列。

 

  但还是有一个阴云笼罩在这个新兴技术头上,就是它的“遗传”部分。光遗传学虽然看着又准又快,但前期的基因工程非常复杂,构建载体病毒和培育实验动物品系都是让人头大的事情。因此光遗传学的应用只能被迫局限于某些特定品系的大鼠和小鼠中,恒河猴、人类等灵长类动物因为繁育周期长、受精卵难以基因操作、实验品系无法构建以及伦理道德等原因而无法开展光遗传学研究,这几乎等于堵死了光遗传学在高级神经活动领域的实验前景。

 

  那么有没有一种“不用遗传学的光遗传学”呢?

 

  新技术带来光明前景

 

  就在今年3月,来自美国芝加哥大学研究者的创新技术让这个过去的老大难问题再也不是个问题了。

 

  他们另辟蹊径,利用神经细胞在局部温度上升后会兴奋的特点,想出了用纳米金属颗粒贴附神经细胞、然后光照加热金属颗粒从而兴奋特定神经细胞的思路。他们将直径20纳米的金颗粒与从蝎毒中提取的Ts1分子结合,通过后者将金颗粒牢牢结合到神经细胞表面上。之后就是激光一亮细胞就兴奋的结果了。而Ts1金颗粒和各种抗体结合后还能选择性结合不同的神经元,完美实现原有光遗传学的效果并且摆脱了基因改造的限制。

 

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只需用光照射细胞就能够快速地启动或终止任何目的基因的表达

 

  这项技术不但能用于研究高级复杂神经活动,而且也能用于临床上的治疗,研究者正希望将这项技术应用于视网膜病变失明的患者身上,让患者重见光明。

 

  神经科学迫切需要从单纯的观察积累进入到控制研究阶段,如同物理学上伽利略通过控制实验变量来总结物理规律一样。光遗传学已经迈出了精彩的一大步,但基因工程的限制让它无法应用于人类、恒河猴等灵长类动物,止步于高级神经活动的门前。现在,纳米金颗粒技术却带给了我们一个新希望,让科学研究者在未来(很可能就是今年下半年起)对更加多样的物种进行光刺激研究,进一步揭示大脑的未知信息,为了解大脑、控制大脑开辟崭新的道路。这将是一个重大的技术发现,是大脑探索征程的里程碑,也是通往《攻壳机动队》式意识数据化未来的重要前置技术。

 

  让我们拭目以待,看看这些技术能为我们带来什么样的科学新发现吧!