光遗传学的兴起

光遗传学是指把光学与遗传学结合起来应用，以期达到用光照射来激活或失活特定活组织或细胞的学问和技术［1］。自2005年以来，光遗传学在神经科学研究中的应用得到迅猛发展，主要的方法是利用病毒载体把微生物视蛋白基因引入离体或在体动物脑，然后用光学方法激活或失活神经细胞［1］。单成分光遗传学工具可以广泛应用于各种模式实验动物，特异地调制所选择的细胞［2］。

光遗传学技术的应用，使我们有可能在神经回路研究的框架下，把还原论研究和整体论研究结合起来。从神经回路出发，向上（向整体方向）可以联系整体活动；向下（向细胞、亚细胞、分子方向）可以联系分子活动，进一步追查神智功能的分子、基因基础。近年来，光遗传学研究发展非常迅猛［3］，但此技术所用的外源性蛋白质必须经由病毒转染，才能把通道视紫质转入受试对象，所以目前只能应用于动物［3,4］。

微生物单成分视蛋白（Ⅰ型视蛋白）得到发现并首次应用于神经元，实现了光调控的神经元快速兴奋和抑制，这是光遗传学发展中的关键一步。细菌视紫质被发现后很长时间，其潜在应用价值未被充分认识，直到2005年8月，微生物视蛋白才首次应用于神经元：在离体哺乳动物脑标本上，仅仅用光照射就引起了神经元的兴奋或抑制（图12-1）。

图12-1　用非侵入性光学调控方法联合应用NpHR和ChR2（彩图见图版此处）

（a）海马神经元表达了两个视蛋白：在驱动子EF1α作用下共表达的NpHR-EYFP和在突触蛋白1驱动子调控下的ChR2-mCherry。(1)（b）以全细胞（下）和细胞附着（上）两种方式记录共表达NpHR-EYFP和ChR2-mCherry的神经元。短暂地给予一个脉冲的蓝光（473 nm，15 ms）可引起单个动作电位，蓝光的宽度不是按比例的；如果同时用黄色光照，会抑制动作电位的发放。（c）共表达NpHR-EYFP和ChR2-mCherry的单个神经元的电压钳记录，作为对黄光和蓝光的反应，分别显示独立的外向性和内向性的光电流。（图引自［5］）

把一定波长的一束光照射在离体脑组织上，脑组织不会有反应；用光纤把一束光引导到整体脑内部，再用一定波长的一束光照射，脑也不会反应。这是因为正常脑组织没有对光进行反应的机构。但是，如果用病毒载体的方法，以视蛋白基因转染脑组织，使神经元表达此种基因，再用一定波长的光照射，神经元就会发生兴奋（去极化）或抑制（超极化）；如果通过光纤让一定波长的光照射整体动物脑的深部，则动物的神经回路可以被激活，如果照射的区域足够大，可以引起动物行为的变化。以上所讲的对比，说明了光遗传学在神经科学研究方面的用途［1］。

2005年以来，光遗传学在脑研究方面的应用大为增加，主要是如何在自由活动的活体动物上实施光遗传学操作，以及如何把光遗传学操作与动物整体脑功能活动表现的记录联系起来。2007年夏，光纤界面开始应用于神经科学的光遗传学研究；是年秋，光遗传学工具应用于对自由活动的哺乳动物的脑研究；2008—2009年间，经过视蛋白的工程化处理，发展了可推广的视蛋白靶向策略及其在脑疾病诊治和神经科学方面的应用；尝试应用视蛋白于干细胞、肌细胞及人类神经元等［6］。作为一门多学科的学问，光遗传学需要：①合适的工程调控工具，利用它可以把光遗传学工具方便地靶向到特定细胞；②光发送技术；③联合应用光调控以及与之相匹配的读出方法，同时读出有机化合物或基因编码活性指示剂的荧光信号、电记录、fMRI信号，或者动物行为的定量数据等［1］。