光遺傳學

潘卓華，美國韋恩州立大學教授，被譽為“光遺傳學創始人” 。 

Gero Miesenböck（格羅·米森伯克），英國牛津大學科學家， 被視為光遺傳學的開創者之一。 

張鋒，與卡爾·迪賽羅斯合作促成一全新的領域——光遺傳技術。 

榮獲2020年度邵逸夫獎的德國柏林洪堡大學的彼得·黑格曼（Peter Hegemann）、德國維爾茨堡大學的格奧爾格·內格爾（Georg Nagel）和格羅·米森伯克。

隨著光遺傳學在神經科學領域的廣泛應用和重要性的日趨凸顯，不久的將來有望成為諾貝爾獎青睞對象。

光影響小白鼠的大腦

斯坦福大學的研究人員使用光來影響小白鼠的大腦，讓一隻患有帕金森症的小白鼠重新站立起來，甚至是重新走路。他們把這項技術稱之為Optogenetics（optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學）。

這個技術的關鍵是：科學家們必須事前向小白鼠體內注射一種植物基因，這種基因能夠對不同顏色光的刺激作出敏感的反應，還能通過自生特性感染類似的細胞。

斑馬魚幼蟲細胞中靶向插入光敏開關

研究人員在清醒的斑馬魚幼蟲的這些細胞中靶向插入光敏開關，結果發現這些細胞產生了突發的游泳行為—幼蟲典型的周期性擺尾。這項發現可能為人類相關的研究提供一種啟發，因為哺乳動物也有類似的細胞。此外，這項研究也凸現了新技術的亮點，使用光控開關-光柵離子通道並結合基因靶向定位可以輕鬆研究某一類型的細胞。

人的

研究表明在罹患與其他精神病學與神經病學疾病的患者，光遺傳學新工具給予科學家很大的機會來探索這些信號通路的功能。γ振蕩反映出大型互連神經元網路的同步活動，以範圍在每秒 20 - 80 周期的頻率發射。這些振蕩被認為由一種特殊的抑制細胞（inhibitory cells）稱為快閃中間神經元（fast-spiking interneurons）所控制，但是到目前為止，這一設想並未得到具體的證實。

為了測定哪些神經元負責驅動這種振蕩，研究人員利用一種被稱為 channelrhodopsin-2（ChR2，第二型離子通道視紫質）的蛋白，這種蛋白能使神經元對光敏感。通過結合遺傳學技術，研究人員在不同類型的神經元中表達了ChR2，通過激光與遍及腦部的光纖，精確調控它們的活性。

通過更進一步的實驗，研究人員還發現根據刺激發生在振蕩周期的哪個階段，腦部對於觸覺刺激的反應會更大或更小。從而支持了前文的構想：這些同步振蕩對於控制我們如何感知刺激很重要。

使用這些光遺傳學（optogenetic）工具，能夠，並直接演示神經元激活表現出的行為結果。該光遺傳學方法使得研究人員能夠獲得關於脊髓迴路的一些重要信息。

光遺傳學研究使用的新技術可以推廣到所有類型的神經細胞，比如大腦的嗅覺，視覺，觸覺，聽覺細胞等。光遺傳學開闢了一個新的讓人激動的研究領域，可以挑選出一種類型的細胞然後發現其功能。

光遺傳技術--21世紀神經科學領域最引人注目的革新！

光遺傳學（optogenetics）是近幾年正在迅速發展的一項整合了光學、軟體控制、基因操作技術、電生理等多學科交叉的生物工程技術。其主要原理是首先採用基因操作技術將光感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等）轉入到神經系統中特定類型的細胞中進行特殊離子通道或GPCR的表達。光感離子通道在不同波長的光照刺激下會分別對陽離子或者陰離子的通過產生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。

光遺傳技術具有獨特的高時空解析度和細胞類型特異性兩大特點，克服了傳統手段控制細胞或有機體活動的許多缺點，能對神經元進行非侵入式的精準定位刺激操作而徹底改變了神經科學領域的研究狀況，為神經科學提供了革命性的研究手段。光遺傳技術在將來還有可能發展出一系列中樞神經系統疾病的新療法。

光遺傳學技術的應用在2010年後得到飛速的發展，應用研究領域涵蓋多個經典實驗動物種系（果蠅、線蟲、小鼠、大鼠、絨猴以及食蟹猴等），並涉及神經科學研究的多個方面，包括神經環路基礎研究、學習記憶研究、成癮性研究、運動障礙、睡眠障礙、帕金森症模型、抑鬱症和焦慮症動物模型等應用。

最近，來自哥倫比亞大學的研究者們在《Hippocampus》雜誌上發表文章稱通過光遺傳學的手段能夠恢復患阿茲海默症小鼠的記憶。這一發現也許能夠改變我們對於這一疾病的理解。

首先，作者通過給小鼠進行光遺傳學改造，使其在儲存記憶的時候發射黃色的熒光，而在重新獲取記憶的時候發射紅色的熒光。之後，作者給予接受了遺傳改造的野生型小鼠與阿茲海默症小鼠以檸檬氣味的刺激，之後再施加電刺激，從而使這兩項記憶形成關聯。一周之後，作者再次給這些小鼠檸檬氣味的刺激。結果顯示，野生型小鼠能夠同時出現黃色與紅色的熒光，而且出現了恐懼的表現，這說明其在形成記憶的同時也發生了記憶的重新獲取（recall）。然而，阿茲海默症小鼠大腦發光的區域則明顯不同，說明它們的大腦在記憶重新獲取的過程中發生了紊亂。

之後，研究者們利用一束藍光刺激小鼠的大腦，從而能夠再次激活小鼠對檸檬氣味以及電刺激的記憶，從而小鼠在再次聞到上述氣味的時候出現了顫慄的表現。

這一結果或許能夠為阿茲海默症的研究與治療開拓新的視野，也能夠為飽受疾病折磨的患者提供新的希望。

來自澳大利亞Edith Cowan大學的Ralph Martins認為該研究具有開發成為新型恢復阿茲海默症患者記憶的療法的潛力。然而，關鍵問題在於小鼠模型研究得出的結論能夠成功適用於臨床。特別地，人類相比小鼠在患病過程中會丟失很多的神經元，因此難以準確地靶向與某一類記憶有關的受損神經。