光遗传学的发展

光遗传学的出现震撼了生命科学界，尤其神经科学界。虽然目前尚难就光遗传学对神经科学发展的影响作出全面评价，但是就当前神经科学的现实情况而论，光遗传学对神经回路和神经-精神疾病的动物模型研究，在短短不到10年的时间里就已经显示出十分重要的影响力［7］。光遗传学技术应用于记忆研究以后，已经在这个领域引起了革命性的变化。对于以海马为基础的记忆来说，对其时空组构及机制已有了新的看法和基础，认识到了皮层及海马对此种记忆的贡献［12］。

光遗传学研究现在还只是开始。目前看来，动物模型很重要，这仍然是整个神经科学研究，特别是有关神智研究中的一个巨大障碍。与认知相关的神智功能动物模型的建立，仍然是一个路途遥远、尚难预期的难关。其他还有很多需要解决的问题。例如，我们还没有非人灵长类动物的光遗传学研究事例［7］。光遗传学技术还需要改进。例如，为了知道相互作用的神经元如何能够产生功能，需要有这样的方法：一方面能够在单个神经元、单个锋电位水平监视脑活动，另一方面又能够靶向调控神经回路内广泛类型的神经元。大范围地记录神经元放电，结合以光遗传学操控来鉴定神经元，是一个可行的方法选择。但是，这方面还有不少技术问题需要解决［13］。又如，A. Yazdan-Shahmorad等介绍了一个界面，能够对非人灵长类动物进行稳定的光遗传学刺激［14］，但这还仅仅是开始。

前已述及，在2005年一项新技术已经产生，在哺乳动物及无脊椎动物标本中实现了高时间分辨的光学调控，神经编码的分辨可以达到毫秒级。此外，也可以用ChR2介导的、毫秒级调控的动作电位，高精确度地调控突触活性。所以，应用ChR2已经开启了一种方法，可以提供更广阔的途径来研究与特定基因所规定的细胞发生突触联系的神经元，而且是在完整的神经回路里面。这是长期以来突触生理学家和系统神经科学家所盼望的［8］。

有作者应用光遗传学技术，使果蝇体内的多巴胺得以释放，如此引起的多巴胺受体激活伴有易于检测的行为，同时动物的行为被记录下来。这将使行为与体内多巴胺神经元活动的关系得以确定。果蝇中枢神经系统神经元中只有很少的一部分（少于0.1%）是合成多巴胺的，大约仅150个左右。这150个多巴胺神经元分布于中枢神经系统内的几个细胞群。设想一下，如果用电生理学方法操控这些神经元，几乎不可能达到目的，而现在可以用光学的方法，选择性地操控多巴胺神经元。先给果蝇注射生物学上无活性的配基，这个配基多巴胺是笼囚配基，但它容易被光分解。然后短暂地用光照射果蝇，而动物处在自由运动状态。于是笼囚多巴胺被释放，转而仅仅激活那些已经被基因功能程序化的、含有多巴胺受体的神经元。这样就达到了光学激活果蝇多巴胺神经元的目的。实验发现，多巴胺神经元被激活以后，果蝇有两个行为变化，一个是状态依赖的，即增加或减少果蝇的总体运动度；另一个是果蝇飞行模式的改变，从害怕朝向中央到喜欢朝向中央［8］。

传统的神经药理学实验往往依赖于行为学的测定，光遗传学改变了我们对于传统行为学测定方法的依赖。细胞特异的以及投射特异的靶向策略，使我们能以无可比拟的准确度来操控动物行为，改变实验设计的方式。如果把光遗传学操控的直接可逆性这个特点跟传统药理学技术进行比较就可以看出，后者需要很长一段时间把药物清除掉，这需要几天的时间；而采用光遗传学方法，许多处理步骤可以凝聚在一次实验当中［7］。

神经-精神疾病有很多，例如恐惧、焦虑综合征、创伤后应激功能障碍（post-traumatic stress disorder，PTSD）、惊恐症状、药物成瘾、抑郁症、自闭症、精神分裂症；帕金森病、癫痫、因神经元丢失的盲、呼吸故障、神经-精神性睡眠病等。神经科学的任务就是希望了解这些疾病的发生机制，研究其治疗策略，而这也是应用光遗传学方法进行研究的主要希望所在。现在还没有办法做人体研究，研究仅限于疾病的动物模型。关键是要有一个好的动物模型，如果没有动物模型则步履艰难。即令如此，短短几年来的光遗传学研究还是取得了明显的进展。

光遗传学工具用于疾病模型的研究，需要设计活体的光遗传学实验新程序。简单说来，这包括5个步骤：①选择视蛋白；②确定靶向的细胞类型；③安排光的发送；④确定时间参数；⑤加以验证和对照［7］。

1．恐惧和焦虑综合征动物模型的神经回路研究

对焦虑、恐惧问题的光遗传学研究，得益于鼠听觉恐惧（fear）条件反射的杏仁核模型。该模型回答杏仁核与恐惧的关系。现在，通过焦虑鼠模型的光遗传学投射特异靶向方法，已经鉴定出一群特定的杏仁核突触，它们可以快速而可逆地调制基础焦虑水平。研究方案基于这样一个事实，即微生物视蛋白可以在整个细胞上表达，包括轴突和轴突末梢膜，所以仅仅光照轴突即可导致轴突去极化。研究还引入了一个发送光的斜角套管，使光可以选择性地到达那些从某个脑区投射到另一脑区的轴突，因此可以专门兴奋这些轴突。研究发现，应用通道视紫质，给予选择性光遗传学刺激，如果激活了杏仁基底外侧核（basolateral amygdale，BLA）的兴奋性神经元，而被激活的该轴突是投射到杏仁中央核（central nucleus of the amygdale，CeA）去的话，则对这种动物予以光照，可以产生去焦虑效应，其表现显著不同于用光照射BLA兴奋性细胞体的焦虑效应，因为这种光照是非特异的，不考虑其投射的［7］。

应用光遗传学技术靶向杏仁外侧核的CeA亚核的蛋白激酶C（PKCδ）表达神经元，研究人员发现了一个抑制性的微回路，它控制条件性恐惧的表达［7］。

2．深部脑刺激的机制与应用

近年来，深部脑刺激（DBS）的问题引起人们关注。通过更好地了解DBS的机制，有可能解释为什么可以用它来处理抑郁症。例如，对扣带回膝下部附近的高频电刺激可以改善抑郁症状，用来治疗那些药物治疗效果不佳的病例。这是一项突破性的贡献，鼓舞了人们的希望。对抑郁症动物模型神经回路的研究牵涉DBS。这是因为，与电痉挛治疗相比，DBS的处理方法还是比较温和与靶向性的。但对此现象的机制不很清楚，人们不清楚高频刺激所产生的抗抑郁效果是由于直接影响了通过这个脑区的轴突，还是由于影响了局部的细胞体；另外，这些效果是由于减轻了还是由于增强了局部皮层的神经电活动［7］。已经开始运用光遗传学的技术，靶向具有抑郁样表型小鼠的前额叶皮层（PFC）的细胞体。在光照内侧前额叶（medial PFC，mPFC）表达ChR2的皮层神经元时，展示了抗抑郁样的反应［7］。

在临床上，作为基底神经节一部分的底丘脑（subthalamus，STN），对它的DBS可以治疗帕金森病，然而对这种治疗的细胞机制不清楚，并且存在争论。目前，在半帕金森病小鼠模型中发现，选择性地用光遗传学工具调控STN的传入纤维而不是调控局部胞体，有显著的治疗效果。结果提示，DBS激动轴突或轴突投射是调控的更有效的靶［7］。

3．基底神经节间接回路-直接回路理论的研究

长期以来认为，基底神经节通过两条神经通路的平衡来调节运动，这就是直接通路和间接通路。发出直接通路的壳核中等树突棘神经元上有多巴胺D1受体，而发出间接通路的壳核中等树突棘神经元上有多巴胺D2受体。中等树突棘神经元上多巴胺受体的不同，被认为与肌张力的调节有关。选择性地靶向各条通路，由于应用了表达D1受体和D2受体细胞的Cre依赖的光遗传学靶向，上述间接回路-直接回路的理论获得了首个直接的实验性证明［7］。

光遗传学的发展，显然受神经科学基础的制约。就神经回路研究而言，也可以看到基础神经科学的极大重要性。也许，我们应该根据精神病的不同症状来建立动物模型。因为复杂的精神病所关联的神经回路可能不止一个，所以应该试探根据特定的症状来建立动物模型。

脑活动的基础不仅是神经传导和突触传递，脑内有许多神经调质如多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素、5-羟色胺等，更何况还有细胞外液中的各种神经活性分子。它们的许多作用是通过G蛋白介导而影响神经元电活动或其他代谢活动来实现的。对这些活动如果也能应用光遗传学的技术加以解析，对神经科学将会产生更加深远的影响［15］。

视蛋白基因在神经元上的异源性表达，这件事本身仍包含许多有待深入探讨的问题，例如视蛋白在神经元质膜上表达的定位和定量特点如何，异源性表达对神经元正常功能的影响又如何等。