當(dāng)Karl Deisseroth第一次用光控制培養(yǎng)皿中的腦細胞時，人們有很多問題，特別是這三個：這項技術(shù)能應(yīng)用于活體動物嗎？它能針對不同的細胞類型嗎？它能在不把光源植入大腦的情況下工作嗎？

在2004年那次開創(chuàng)性的實驗之后的幾年里，Deisseroth的團隊和其他人找到了前兩個問題的答案：是的，沒問題。近日，他們用另一個肯定的答案回答了第三個問題，成功地推出了一種無植入物的技術(shù) -- 首次證明了光遺傳學(xué)結(jié)合光和基因工程來控制腦細胞，無需手術(shù)就能精確地打開和關(guān)閉細胞。

“這是16年來研究的一個很好的總結(jié)，”斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家和生物工程師Deisseroth說，“我們花了很多年的時間才弄清楚如何讓它工作。”該研究的具體成果發(fā)表在近日的Nature Biotechnology雜志上。

光遺傳學(xué)包括對動物大腦進行基因工程，在神經(jīng)元膜中表達一種叫做視蛋白的光敏蛋白。視蛋白對光脈沖的反應(yīng)既可以誘導(dǎo)神經(jīng)元“點火”，也可以抑制神經(jīng)元的激發(fā)能力。光遺傳學(xué)已經(jīng)被用于繪制大腦路徑圖，識別復(fù)雜行為是如何被調(diào)節(jié)的，在老鼠身上產(chǎn)生錯誤記憶等等。在其他技術(shù)中，它也被用于開發(fā)光基因起搏器。

大多數(shù)時候，獲得大腦內(nèi)部的光脈沖來控制細胞需要有侵入性的植入物：從栓系的光纖到胡椒粒大小的無線植入物，再到可伸縮的脊柱植入物。

今年4月，Guoping Feng和麻省理工學(xué)院的同事與Deisseroth一起演示了一種微創(chuàng)的光遺傳學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要在頭骨上鉆一個小孔，然后利用藍光控制6毫米深的表達視蛋白的神經(jīng)元。這種方法使用了一種視蛋白，它以一種循序漸進的方式緩慢激活神經(jīng)元。

在最近的一項研究中，Deisseroth和他的同事們試圖在不進行手術(shù)的情況下實現(xiàn)深度和快速的光遺傳學(xué)。斯坦福大學(xué)的研究小組在老鼠的腦細胞中表達了一種叫做ChRmine（發(fā)音像深紅色的“胭脂紅”）的強效視蛋白，該蛋白是去年Deisseroth的研究小組在一種海洋生物中發(fā)現(xiàn)的。然后，他們在顱骨外面發(fā)出紅光，激活中腦和腦干的神經(jīng)回路，深度可達7毫米。科學(xué)家們關(guān)掉了毫秒級的精密電路。Deisseroth表示：“這真的很好，比我們預(yù)期的要好得多。”

該小組隨后測試了該系統(tǒng)的有效性。在一個例子中，他們用光快速而精確地阻止了小鼠的癲癇發(fā)作，而在另一個例子中，他們通過激活產(chǎn)生血清素的神經(jīng)元來促進小鼠的社交行為。

大多數(shù)光遺傳學(xué)技術(shù)都是用針頭將帶有視蛋白基因的病毒直接注射到大腦中。為了避免這種情況，斯坦福大學(xué)的研究小組使用了加州理工學(xué)院開發(fā)的一種可以注射到血液中的PHP病毒。然后病毒穿過血腦屏障，將其有效載荷視蛋白基因傳遞給腦細胞。在這種情況下，即使是基因的傳遞也是無創(chuàng)的，沒有針頭穿透大腦。

Deisseroth的團隊現(xiàn)在正在魚身上測試這種非侵入性技術(shù)，并與其他人合作將其應(yīng)用于非靈長類動物。他們還與西雅圖的Allen研究所合作，開發(fā)細胞中含有氯胺的老鼠品系。“我們希望這些將是一個廣泛可用和適用的研究工具，”Deisseroth說，“我們很高興能與大家分享這種能力。”

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