永亭

在電影《黑衣人》中，特工處理完外星人出沒現(xiàn)場后都會掏出一個(gè)發(fā)光棒，讓圍觀群眾“往這兒看”，然后強(qiáng)光一閃，圍觀者的短時(shí)記憶就被抹去，不再記得見過奇怪外星生物的經(jīng)歷。真的有這樣的技術(shù)，能夠用光來控制大腦嗎？簡短的答案是，有。但是可能沒有電影里表現(xiàn)的那么簡單。

大腦中的電路開關(guān)

大腦就像由許許多多個(gè)電子元件構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜的電路，每一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞都像是一個(gè)電子元件，所以又被稱為“神經(jīng)元”。

目前的研究認(rèn)為，大腦中大約有1000億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞可以與其它神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生大約1000個(gè)聯(lián)系，從而構(gòu)成了極其復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞膜上有許多種蛋白質(zhì)，有的蛋白質(zhì)可以控制鈉、鉀等離子在細(xì)胞內(nèi)外的濃度，被稱為“離子通道”；還有的可以接受其它神經(jīng)細(xì)胞釋放的神經(jīng)遞質(zhì)信號，被稱為“神經(jīng)遞質(zhì)受體”。就像電路的開關(guān)，它們調(diào)控了神經(jīng)細(xì)胞的興奮或抑制。

雖然神經(jīng)科學(xué)在過去的二三十年中取得了非?？焖俚陌l(fā)展，但是，離我們完全地了解大腦的工作原理還有很遠(yuǎn)。這其中的原因之一是我們很難把大腦中不同種類的神經(jīng)細(xì)胞區(qū)分開來，并實(shí)時(shí)地在活體動物中研究它們在大腦行使功能時(shí)的作用。

大腦中特定細(xì)胞的功能研究

不過，近幾年，一種新的技術(shù)“光遺傳學(xué)”為研究大腦中特定細(xì)胞的功能提供了新的工具。

通過對神經(jīng)細(xì)胞的“修飾”，科學(xué)家們已經(jīng)可以自由地控制這些神經(jīng)細(xì)胞的“開”或者“關(guān)”。由于用來修飾神經(jīng)細(xì)胞的蛋白質(zhì)是一種光感蛋白，所以這項(xiàng)新的技術(shù)被稱為“光遺傳學(xué)”。

光遺傳學(xué)通過把一個(gè)能夠感受光刺激的離子通道蛋白的基因轉(zhuǎn)入神經(jīng)細(xì)胞，使神經(jīng)細(xì)胞在它的細(xì)胞膜上表達(dá)這種蛋白，然后用光來控制這種蛋白的開放或關(guān)閉，從而控制神經(jīng)細(xì)胞的興奮或者抑制。

目前被最廣泛使用的感光離子通道蛋白基因是從單細(xì)胞藻類中分離出來的，這種蛋白在特定波長的光激發(fā)下會打開它的通道，允許鈉、鉀、氫等離子通過，并可以產(chǎn)生動作電位，使神經(jīng)細(xì)胞興奮。

此外，一些其它的光感通道蛋白以及經(jīng)過蛋白質(zhì)工程改造的光感蛋白也開始被應(yīng)用起來，這不僅使我們能夠控制神經(jīng)細(xì)胞興奮，也可以使已經(jīng)興奮的神經(jīng)細(xì)胞沉默，并且可以用不同波長的光來調(diào)控不同種類的神經(jīng)細(xì)胞。

不同的神經(jīng)細(xì)胞具有不同的功能，這種“特異性”是通過不同的蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，每一種蛋白質(zhì)都是人體按照基因組DNA上的遺傳信息“表達(dá)”出來的。

實(shí)際上，每種神經(jīng)細(xì)胞中都含有完整的基因組DNA，那么人體是如何控制表達(dá)出某個(gè)蛋白，而不表達(dá)出另一個(gè)蛋白呢？

原來，DNA序列中還有一些片段叫做“啟動子”，由它們來調(diào)節(jié)一個(gè)基因要不要表達(dá)。利用這個(gè)原理，可以把感光蛋白的基因“插入”到特定的啟動子后面。這樣，光感蛋白就會按照我們的要求在特定的細(xì)胞中表達(dá)。我們要研究哪一種類型的神經(jīng)細(xì)胞在動物特定行為中的作用，就只在那種細(xì)胞中表達(dá)光感蛋白，然后用光來控制它的開關(guān)。

特異性表達(dá)的能力給了光遺傳學(xué)技術(shù)空間上的準(zhǔn)確性。

為什么空間準(zhǔn)確性這么重要呢？以下丘腦為例，這個(gè)杏仁大小的結(jié)構(gòu)由多種神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成，參與諸如睡眠與情緒調(diào)節(jié)等多種復(fù)雜的功能。如果使用藥物或者電刺激下丘腦區(qū)域，可能對下丘腦的所有功能同時(shí)產(chǎn)生影響，從而難以搞清到底是哪種神經(jīng)細(xì)胞受到了影響。而利用光遺傳學(xué)技術(shù)，就可以只標(biāo)記一種神經(jīng)細(xì)胞類型，就有可能實(shí)現(xiàn)對某一特定功能的調(diào)節(jié)。

而且，藥物需要一定的時(shí)間來發(fā)揮作用，而光感蛋白對光刺激的反應(yīng)可以在毫秒級別實(shí)現(xiàn)，而在停止光刺激之后離子通道又能快速關(guān)閉，從而使時(shí)間上的高分辨率也成為可能。

光遺傳學(xué)技術(shù)有何用處

那么，這項(xiàng)技術(shù)有什么用呢？

如前文提到的，通過控制單一種類神經(jīng)細(xì)胞在整體動物中的活動，我們可以了解這一類神經(jīng)細(xì)胞的特別功能，并通過監(jiān)測它周圍細(xì)胞的活動，來了解神經(jīng)回路的工作機(jī)制。對腦中各類神經(jīng)元的具體工作機(jī)制的了解將使我們可以回答很多以前不能回答的問題，尤其是了解抑郁癥、孤獨(dú)癥、成癮、帕金森病等疾病的機(jī)制。

目前，對活體動物的大腦進(jìn)行光刺激還依賴于光纖的植入，多數(shù)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。但是，可以預(yù)見這一技術(shù)將有很廣的應(yīng)用前景。

光遺傳學(xué)技術(shù)還可以應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域。

在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它給精神疾病的研究提供了新的工具。例如在成癮的研究方面，已知腦中存在激勵機(jī)制，促使我們產(chǎn)生喜歡某種食物或某件事物的情感，多數(shù)時(shí)候跟腦中的多巴胺能神經(jīng)元有關(guān)。多巴胺是一種大腦分泌的神經(jīng)遞質(zhì)，可以使人感到開心或興奮，也與肌肉控制有關(guān)。吸煙和吸毒都可以增加多巴胺的分泌，使成癮者產(chǎn)生欣快的感覺。

利用光遺傳學(xué)技術(shù)，科學(xué)家們把光感蛋白表達(dá)在小鼠的多巴胺能神經(jīng)元上，然后在小鼠執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)（比如走到籠子的一端的平臺上）時(shí)給予光刺激使多巴胺能神經(jīng)元興奮，從而使小鼠產(chǎn)生愉悅感。實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)過訓(xùn)練后的小鼠會一次次地去主動完成任務(wù)從而獲得愉悅感的獎勵。

有了這一技術(shù)，可以實(shí)時(shí)地研究多巴胺能神經(jīng)元的興奮或抑制對動物行為的影響，同時(shí)也可檢測各種干預(yù)手段的效果。這些研究對于我們理解成癮的機(jī)制以及干預(yù)有很大的幫助。

另外一種精神疾病叫做創(chuàng)傷后心理壓力緊張綜合癥（PTSD），是指人在遭遇重大壓力后產(chǎn)生的心理狀態(tài)失調(diào) ，通常表現(xiàn)為極度焦慮和緊張。為了研究這一疾病，科學(xué)家們已經(jīng)建立了成熟的PTSD動物模型。在小鼠模型中，實(shí)驗(yàn)人員在一個(gè)聲音提示之后在小鼠所在的籠子底部給予短暫的電刺激，使小鼠產(chǎn)生驚嚇，重復(fù)數(shù)次之后，小鼠開始害怕提示音，每次一聽到提示音就僵住不動。

通過用光感蛋白對不同類型神經(jīng)元進(jìn)行標(biāo)記，然后再用光刺激來激活這些神經(jīng)元，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)位于大腦前額葉的錐體神經(jīng)元與這種恐懼的形成有關(guān)。如果在實(shí)驗(yàn)中激活前額葉錐體神經(jīng)元，幾次訓(xùn)練之后小鼠在聽到提示音后不再僵住不動，而是繼續(xù)正?；顒?，提示這種刺激有可能幫助小鼠克服焦慮。如今，光遺傳學(xué)技術(shù)還被應(yīng)用到很多項(xiàng)與抑郁和焦慮有關(guān)的科學(xué)研究當(dāng)中，這些研究有可能最終揭示不同類型心理疾病的不同機(jī)制。

眼睛被認(rèn)為是大腦的延伸，視網(wǎng)膜直接接受光信號傳遞給視覺神經(jīng)元。因此，光遺傳學(xué)在視網(wǎng)膜相關(guān)疾病方面也有很好的應(yīng)用前景。

例如，視網(wǎng)膜色素變性病是一種遺傳病，患者隨年齡增長視野變窄并逐漸失明，這種病是由于視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞的退化導(dǎo)致的。由于感光細(xì)胞的退化和死亡，光信號不能夠被傳遞到視覺神經(jīng)元。那么，可不可以跳過感光細(xì)胞，直接在視覺神經(jīng)元上表達(dá)光感蛋白來恢復(fù)視力呢？

美國南加州大學(xué)和麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們通過在視網(wǎng)膜色素變性而導(dǎo)致失明的小鼠模型的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞上直接表達(dá)光感蛋白的方法， 成功使失明的小鼠恢復(fù)了感光的能力。他們把小鼠放在一個(gè)裝有水的八角形迷宮里，迷宮的一個(gè)方向上有一個(gè)平臺，平臺后有燈光，如果小鼠能夠看到光，就會游向平臺然后爬上去休息。他們公布的錄像中顯示，失明后的小鼠沒有感光能力，只能隨機(jī)地在迷宮中游泳，而經(jīng)過感光蛋白治療的小鼠能夠朝著光源方向游泳。

用植入光纖的方法用光刺激來控制神經(jīng)元活動無疑是神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)上的一大進(jìn)步。

另一方面，能夠在光刺激的同時(shí)記錄神經(jīng)元的電活動是了解神經(jīng)回路工作機(jī)制的另一重要技術(shù)。現(xiàn)在，利用植入電極芯片科學(xué)家們可以同時(shí)記錄多個(gè)神經(jīng)元的電活動。通過對這些記錄進(jìn)行解碼和編碼，然后與機(jī)械臂等裝置聯(lián)合起來，有可能使癱瘓的病人重新獲得一些執(zhí)行能力。前不久，利用這種腦機(jī)接口的方法，布朗大學(xué)的科學(xué)家們成功地讓癱瘓了15年的一名病人通過自己的思想控制機(jī)械手臂給自己拿了一杯咖啡。

有了光遺傳學(xué)的時(shí)間和空間的精準(zhǔn)性，將大大加快我們理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度，更快更好地解碼和編碼各種神經(jīng)活動。如果把神經(jīng)元的激活記做1，把神經(jīng)元的抑制記做0，那么有可能可以把與某種行為有關(guān)的神經(jīng)電活動記錄成為一系列的二進(jìn)制編碼。這是否意味著以后我們有可能對記憶進(jìn)行編碼，甚至下載或上傳記憶呢？答案是：能！

（作者系生物化學(xué)博士，目前從事神經(jīng)生物學(xué)研究。）