光遺傳

該技術利用分子生物學、病毒生物學等手段，將外源光敏感蛋白基因導入活細胞中，在細胞膜結構上表達了光敏感通道蛋白；然後通過特定波長光的照射，控制細胞膜結構上的光敏感通道蛋白的激活與關閉；光敏感蛋白的激活和關閉可控制細胞膜上離子通道的打開與關閉，進而改變細胞膜電壓的變化，如膜的去極化與超極化。當膜電壓去極化超過一定閾值時就會誘發神經元產生可傳導的電信號，即神經元的激活；相反，當膜電壓超極化到一定水平時，就會抑制神經元動作電位的產生，即神經元的抑制。神經元生物學家經常運用這種技術，通過光學方法無損傷或低損傷地控制特異神經元的活動，來研究該神經網路功能，特別適用於在體、甚至清醒動物行為學實驗。

同時，利用類似的光學與遺傳學手段，可控制腦細胞外其它細胞中的蛋白表達，從而實現光誘導蛋白質表達，啟動細胞內生物學過程，進而控制生物行為。因此光遺傳技術在生命活動與疾病研究中應用廣泛。

在特定波段光的激發下，誘導光敏感蛋白的激活，促使神經元細胞膜去極化的工具即為活化神經元的光遺傳工具。其中，典型的用於激活神經元的光敏感通道蛋白ChR2（channelrhodopsin），最早從萊茵衣藻中發現，后經人為突變、修飾，改造成能適用於哺乳動物細胞、表達穩定對細胞無毒的工具。該蛋白在藍光（最大激發峰在470nm波長附近）的激發下會誘導陽離子通道的打開，促使神經元的去極化，進而誘發動作電位，激活神經元。如圖1左側圖示。

（optogenetics for inhibition of neuronal activity）

在特定波段光的激發下，誘導光敏感蛋白的激活，促使神經元細胞膜超極化的工具即為抑制神經元的光遺傳工具。其中典型的抑制神經元活動的光敏感蛋白NpHR（鹽系菌視紫紅質），最早從嗜鹽鹼菌里發現，NpHR在黃綠光（最大激發峰在590nm波長附近）的激發下會誘導氯離子通道的打開，氯離子內流造成神經元的超極化，從而抑制神經元動作電位的產生；當然還有在蘇打鹽紅菌里發現的Arch（古紫質），它在黃綠光（最大激發峰在566nm波長附近）的激發下會誘導質子的外流，從而產生超極化信號，抑制神經元的活動。如圖一右側圖示。

圖1 光遺傳工具調控膜電壓控制神經發放工作原理

以下圖2-4給出一些應用實例，分別是在腦片和完整動物上進行的利用光控制神經活動的實驗。

圖2 藍光精確控制表達ChR2-EYFP的神經細胞誘導大鼠前度前額葉皮層神經元的活動

a）離體原理圖，b）活體實驗圖

圖3 綠光通過控制表達有NpHR蛋白神經細胞迅速並可逆地抑制大鼠前度前額葉皮層自發活動

（上：示意，下：電活動在激光開啟時被抑制）

圖4 光纖傳輸藍光控制自由活動動物的運動方向改變。

右側次級運動皮層（M2）錐體細胞受光照，小鼠持續左轉，光刺激消失后立即恢復自由運動