大脑怎样控制？光遗传学给大脑装光控开关

2016-03-01 6:30:55 暂无评论佐罗网络信息 817

　　出品：中国科普博览

　　作者：中国科学院神经科学研究所王飞

　　各人好！我是大脑的主人神经元君，今天我要给各人介绍下如何控制大脑。

　　大脑作为人体的司令部，控制着咱们的一言一行。如果咱们能够控制人的大脑，咱们就能够改变人的思维，控制人的行动了。看似不可实现的想法，科学家们早已经迈出了第一步。他们不须要咒语，不须要魔杖，只须要经由一束光，就能够让你的思维发生变更。这可不是什么天方夜谭的魔术哦，这项高大上的新兴技巧叫做光遗传学(Optogenetics)！

神经元君和他的实验室

　　光遗传学就是用特定的光作为控制信号，用遗传学的方式在大脑中安装一个光控的开关。当光一翻开，大脑中的开关就翻开了，大脑的某项功效就开始运作。这个开关能够安装在大脑的差别的部位，担任差别的功效。就像咱们家里的遥控器，咱们能够用红外光控制电视的翻开，也能够用它控制空调的开关。

　　这种光控开关其实是一种光敏感通道卵白(Channelrhodopsin-2，简称ChR2)。这种卵白质能够“看到”蓝光，当这些卵白质“看到”蓝光时，形状就发生变更，变成一个能够让离子经由的通道。在咱们神经元的周围有很多带正电的离子，当蓝光照射时，这些阳离子就会经由光敏感卵白通道流进细胞的身材内。这些离子就像高兴剂一样，迅速地让神经元高兴起来。这样，神经元们就能够像灯泡一样被翻开或者关闭，这就相当于给神经系统装上的光控开关。

给大脑装上光控开关设想图

　　下面是光敏感通道卵白的任务原理，请看动图。

光敏感通道卵白任务原理动图

　　这样，光就成了神经元们的指挥棒了。经由蓝光激活光感受卵白并使神经元高兴，进而控制大脑。这就是光遗传学的原理。

　　这么巧妙的想法是谁发明的呢？

　　固然是咱们的大自然了。

　　其实在咱们神经元家族中，有位兄弟能够看到光，而且能够将光信号转换成电信号，将信息传递到大脑。它就是眼睛里的光感受器细胞，在这位仁兄身材中有一种能够感光的卵白质，叫做视紫红质(Rhodopsin)。正是因为这个能够感光的开关，感受器细胞就能够受光的控制。

　　下面两幅图分别展示的是视网膜中的光感受器细胞及其特有的视紫红质。是不是很炫酷的样子！

光感受器细胞和视紫红质

　　而在大脑中的神经元们，并没有视紫红质，所以它们看不见光，也不会受到光的控制。几百年来，科学家们苦苦寻找控制神经元的方式，虽然他们能够经由电流刺激神经元，或者经由药物杀死神经元来控制它们的活动，但是那些方式都太恐怖了。

　　直到有一天，一位年轻的美国小伙，将眼睛看东西的原理应用到了大脑中的神经元中。他将光敏感的卵白安装到大脑的神经元，这就相当于给大脑中的神经元装上了眼睛。从此以后，大脑中的神经元就看到了更加美丽多彩的世界，脑科学家们也进入了另外一个研究的新时代。

　　下图就是那位天才科学家，来自美国斯坦福大学的Karl Deisseroth教授。据说，他现在又在研究一项黑科技，目的是将大脑变透明，以方便科学家们更好地观察大脑。

Karl Deisseroth教授发明了光遗传学技巧

　　他到底是怎么做的呢？那就让我带你们走进实验室，近距离地观察下这项高精尖技巧吧。

　　各人看，这家伙就是咱们的科研明星小鼠，别看它萌萌哒，控制好它可不是件容易的事情。一般来说，用光遗传学方式控制小鼠包括四个步调：

　　首先，咱们须要经由遗传学的方式将光敏感通道卵白表达在大脑的神经元里。咱们能够经由利用已经表达有光遗传通道卵白的转基因小鼠，固然也能够经由病毒注射的方式将这种卵白表达在神经元上。

　　下图你看到的是一只小鼠在做美梦的时候，被转入了光敏感通道卵白。

光遗传学基本操纵步调一

　　之后咱们还须要将蓝光光纤插入到小鼠的特定脑区。咱们知道，大脑的差别脑区担任差别的功效。例如，后脑勺的枕叶担任视觉，耳朵附近的颞叶担任听觉。所以，咱们用蓝光激活差别脑区的神经元时，就会开启大脑差别的功效。

光遗传学基本操纵步调二

　　然后，咱们翻开蓝光，神经元上的光敏感通道被翻开，神经元就会高兴，神经元经由电信号控制身材的运动。

光遗传学基本操纵步调三

　　最后，咱们观察小鼠在给光和不给光时行动的变更，就知道小鼠如何被咱们控制了。

光遗传学基本操纵步调四

　　现在咱们知道了光遗传学经由光能够激活神经元进而控制大脑的活动。那么这项技巧到底有什么用途呢？那就仔细观察下面这个动画吧。

David J. Anderson教授经由光遗传学的方式控制小鼠打架

　　咱们看到，小鼠在灯光翻开的时候，开始疯狂地打架，而灯光一关闭，它们就马上恢复了正常。这就是科学家们利用光遗传学的技巧控制小鼠打架的例子。

　　固然，科学家们不只是为了让小鼠打架，他们经由这种方式，研究了担任小鼠打架行动的脑区，为咱们理解大脑的运作机理提供了有力证据。光遗传学技巧促进了咱们对大脑功效的理解，帮助咱们了解特定神经元与行动的关系。

　　光遗传学技巧不仅在科学研究上大放异彩，在医治神经类疾病时，也展现了巨大的潜力。

　　最直接的应用之一就是医治由于视网膜病变引起的视力下降。光遗传技巧又回到了自己的老家——眼睛里。来自美国麻省理工学院的Ed Boyden教授在用光遗传学技巧医治眼疾方面做出了杰出贡献。在视网膜退化的小鼠模型里，他们试图将光敏感通道卵白表达在本来不感光的双极细胞中。这样，当视网膜中能够感光的光感受器细胞退化后，大脑仍然能够利用双极细胞来看到外面的世界。