“我要睡覺了，麻煩幫我關下燈。”
“啪”，燈滅了，簡單快速又直接。
作為地球上情感最豐富最復雜的生物，又何嘗不曾羨慕這樣一種簡單：說起就起的床，說做就做的事，說停就停的悲傷，說放就放的愛……
想開心就開心，想難過就難過。一切就像按下一個開關那樣簡單，沒有猶豫，沒有拖延。
直到有一天，一群不被看好的科學家在一根神經(jīng)元上裝上了“開關”，由此，開啟了人類精準操控大腦的新紀元。
用光來控制機體！就是光遺傳學?。▽嵲谑翘玞ool了）
01.”Brainbow”---點亮大腦的“彩虹”
二十世紀六十年代的夏天，鱈魚角有個伍茲霍爾海洋生物站，這里聚集著一批心懷夢想的年輕科學家。在那個黃金年代里，他們白天做研究，夜晚把酒言歡，高談論闊。
誰剛剛有了新的進展，就會成為伍茲霍爾一時的“大明星”。有多火呢？火到撒個尿旁邊的人都會突然向你發(fā)問。
大西洋的海風溫暖，氣候溫和。伍茲霍爾的夜里，如同星辰墜入深海，成千上萬的水母發(fā)出幽幽綠光，夢幻般的點亮這里的大海。
海風，好酒，想象力與科研成果迸發(fā)式的出現(xiàn)的黃金時代，歡聲笑語，意氣風發(fā)。
這群人中有個叫下村修（Osamu shimomura）的日本科學家，他成天癡迷的望著伍茲霍爾發(fā)光的海。在月光下，海面漣漪，他開始捕撈海洋里的“星辰”。
年復一年。某個夏末，伍茲霍爾的學術報告廳里，所有的燈都已經(jīng)關上，所有的呼吸都已經(jīng)屏住，下村修從口袋中掏出試管。
試管里閃爍著幽幽熒光，就像窗外的大海一樣。下村修成功純化了水母的綠色熒光蛋白（熒光蛋白：顧名思義，能夠發(fā)出熒光的蛋白）把熒光蛋白的基因提出來后植入腦細胞，就可以讓腦細胞表達出熒光蛋白。換句話說，腦細胞從此有了“發(fā)光”的能力。
不同的熒光蛋白，讓腦細胞有了不同的色彩。這些多彩的熒光點亮了不同類型的神經(jīng)元（也就是腦細胞），看起來就像大腦中的彩虹，Brainbow。
從此，每個腦細胞不僅能看的清清楚楚（因為被點亮了），而且還能根據(jù)植入蛋白的不同來區(qū)分不同的類型。我們終于可以更加清晰的區(qū)分清楚大腦中上百億個細胞。
02.用光來觀察腦細胞活動
在上一篇大腦半球特異化的文章里，我們知道大腦的不同區(qū)域控制了身體不同的活動。也就是說不同的腦細胞控制著不同的活動，不同的行為。打個比方來說，控制你大笑和控制你生氣的腦細胞——肯定不是同一群腦細胞。
怎樣把行為和細胞聯(lián)系到一起呢？
于是在“腦虹”的基礎上，科學家們想：可不可以用光來表示不同神經(jīng)元活動的情況呢？
簡單粗暴的來說，就像一個信號燈一樣，如果出現(xiàn)了某種活動，燈就可以亮，沒有活動，燈就不亮。
還真可以！
我們已經(jīng)知道，神經(jīng)元的活動一定伴隨著電信號的“產(chǎn)生“。也就是說，如果一個神經(jīng)元被激活，它就一定會”放電“。（高中生物預警）
神經(jīng)細胞的膜電位變化時，細胞膜上鑲嵌的蛋白質分子就會改變形狀。這種隨著膜電位改變蛋白質結構的蛋白，我們稱之為電壓敏感蛋白。如果用基因工程的辦法，將電壓敏感蛋白與熒光蛋白連接起來，當細胞膜上的電位變化時，熒光蛋白也會隨之改變結構，從而發(fā)光的狀態(tài)會有所改變。
還有一種方法同樣也可以用光衡量神經(jīng)元的活動：除了電信號之外，離子的活動也和神經(jīng)元關系很大。
當神經(jīng)元活動時，鈣離子就會流進細胞內。如果在細胞內植入鈣敏感熒光蛋白（一種只有遇到鈣離子才能發(fā)出明亮熒光的蛋白），當神經(jīng)元活動時，鈣離子流進細胞內，就能夠與鈣敏感熒光蛋白結合，從而使活動的神經(jīng)元發(fā)出明亮熒光。（如圖所示，不同的行為可以觀察到不同的神經(jīng)元被點亮）
就這樣，我們終于把光和腦細胞的活動聯(lián)系到了一起。
03.用光來操控細胞
腦虹與光成像的技術讓我們清楚的看見了來自大腦內部，各式各樣的細胞交織在一起的絕妙畫面。也讓我們愈發(fā)的貪婪——有沒有什么辦法能夠操控神經(jīng)細胞呢。
讓它活動它就活動，讓它安靜它就安靜那種？
還真真有！
這個問題的答案遠在天邊，近在咫尺——沒錯，就藏在我們的眼睛里。
眾所周知，眼睛是個感光器官——可以感受光的強弱，光的顏色。為什么眼睛可以做到這一點是因為我們的視網(wǎng)膜細胞膜上存在對光敏感的蛋白。
換句話說，光可以通過控制感光蛋白進而控制我們的視網(wǎng)膜。再換句話說，光，是我們視網(wǎng)膜細胞活動的開關。
時間進入21世紀。
2002年，杰羅·麥森伯克首先嘗試了這個設想。他把來自非脊椎動物的感光蛋白成功表達在了大鼠神經(jīng)元上。
2006年，他進一步把感光蛋白表達在果蠅的肌肉細胞上，再把果蠅的頭粗暴的剪掉，這樣果蠅扇翅膀的運動就不能被自己的大腦控制。當他把光照射在無頭蠅身上時，奇怪的事情出現(xiàn)了!失去頭的果蠅竟然扇動了翅膀！用光來控制細胞的設想，成功了！
06年以后，屬于光遺傳學的時代真正來臨了。人們在多種模式動物身上，如果蠅，斑馬魚，小鼠……都使用光遺傳學做了很多有趣的事。
以小鼠為例（圖為植入光纖的鼠，來源：JOHN B CARNETT）
人們通過顯微注射＋微創(chuàng)光纖植入的技術，將光纖定位，精確的放置在想要控制的神經(jīng)元周圍，從而利用光來控制小鼠的行為。
簡單來說，我們找到了神經(jīng)元的開關系統(tǒng)——感光蛋白＋光。只要把感光蛋白植入想要控制的神經(jīng)元，只要用電腦控制光源的開閉，頻率，我們就可以輕松的操控這只小老鼠。
舉一個筆者所在的實驗室做過的光遺傳學例子：
我們找到了和“母愛“這種行為有關的神經(jīng)元。正常情況下，這種神經(jīng)元會讓小鼠對幼崽做出類似舔舐的愛護行為。當利用光將“母愛”神經(jīng)元關閉時，小鼠表現(xiàn)為暴躁的撕咬，啃噬幼崽。（這畫面太血腥） 而這兩種行為的改變，只發(fā)生在我們打開光源的瞬間。
（拍攝于北京CIBR，LiYing Lab，實驗幼崽）
（光遺傳學實驗現(xiàn)場，拍攝于北京CIBR, LiYing Lab）
04.光遺傳學可以做什么？
什么，都到這里了。你還沒有明白光遺傳學有多么令人激動嗎？（拍桌）
光遺傳學的出現(xiàn)，代表著人類可以真正意義操控大腦了。
試想一下，當你覺著某段記憶痛苦卻難以忘卻時，有個辦法可以幫助你把播放這段記憶的神經(jīng)“關機”。
感到無法自主的調節(jié)情緒，長時間低落的時候，有個辦法可以操控你的大腦，幫你打開快樂的“開關”。
由于運動神經(jīng)罷工而癱瘓的人，感覺神經(jīng)罷工而失明的人……有個辦法可以幫助他們重新獲得健康的生活。
更令人激動的是，也許我們終于有辦法知道，記憶、情感、意識，它們究竟是什么。
而人類是否有機會將“意識”與“載體”分離，實現(xiàn)真正意義上的機械交互？這是神經(jīng)科學在做的，也是這個時代想要知道的答案。
正如饒毅教授所說：Anything is possible!
（光遺傳學發(fā)展史，來源：饒毅公眾號）
截至目前，臨床醫(yī)療研究者嘗試采用非侵入性的光遺傳學手段治療各種疾病，例如嗜睡癥，抑郁癥，恐懼，焦慮，疼痛，帕金森和失明等。但是將感光蛋白植入人體仍需要技術上的穩(wěn)定以及倫理上的定性。
現(xiàn)階段看來，只有帕金森和失明是臨床可以攻堅的區(qū)域。而阿茲海默也被證明利用光遺傳學可以恢復部分記憶。2015年，美國FDA已經(jīng)批準了光遺傳學治療失明的臨床實驗。
參考文獻
1.光遺傳學，一項注定要獲諾貝爾獎的項目https://zhuanlan.zhihu.com/p/20860712?utm_source=wechat_session&utm_medium=social&utm_oi=661184557068587008
2.Zemelman BV, Lee GA, Ng M, et al. Selective photostimulation of genetically chARGed neurons. Neuron, 2002, 33(1): 15-22
3.Neuron: Delete memories? The future may be just that Doi: 10.1016 / j. euron. 2014.09.037
4.Cell: Optogenetics turns mice into ruthless killers Doi: 10.1016 / j.carol carroll ell. 2016.12.027
5.Cognitive neuroscience 3rd Michael S.Gazzaniga
6. 神經(jīng)科學-探索腦(第二版)
7. Psychology – Core Concepts, 7th Edition by Philip G. Zimbardo, Robert L. Johnson, Vivian McCann
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