專門為光遺傳設計，讓細胞安全、穩定地表達光敏感蛋白1

奇葩年年有，今年特別多。比如最近炙手可熱的美帝網紅特朗普，完美的詮釋了：不想當總統的地產商不是好段子手……對于他的奇談怪論大家已經見怪不怪，但最近演講中的言論還是讓小伙伴驚呆了：“我愛沒文化的人” 、“為了削弱美國制造業的競爭性，中國人為自己創造出了全球變暖的觀念。”……這樣的言論真是讓人恨不得扒開他的腦子看看~

而對于真正研究大腦的人來說，這個世界有太多比美國商人的搞笑行為更需要關注的事情，比如說為什么有的人會幻聽？為什么智商甩普通人幾條街的科學大家也會患上阿爾茲海默癥？又是哪個神經元發出了讓老板發工資這個動作信號的？……研究大腦神經絕對是這世界上最有趣而且復雜的工作之一。

傳統意義上的神經活動調控主要是通過電刺激或者神經藥理學方法實現的。電刺激方法通過向細胞內注入電流或者在細胞外給予場電勢來激活神經的活動，聽起來這個方法的時間可控性非常好，但是很難實現對個細胞或者多個部位同時刺激，而且細胞外場電勢刺激方法的細胞特異性和空間精度很低……加藥的方法就更糟糕了，由于藥物的擴散性和加藥方式的影響，在時間、空間和細胞特異性上都很難控制。最最最重要的是！過電或者加藥這種事情對于被刺激的細胞會造成不可逆的損傷，控制不好的話輕則癡傻，重則大小便失禁，晚期那就是植物鼠！

辛辛苦苦好幾年，一夜回到解放前……

那么有什么好方法是可以避免外源性的異物損傷呢？科學家們苦苦探索多年，直到2005年的一天，一位年輕的美國小伙子Karl Deisseroth，一拍腦袋（也可能是被蘋果砸了），想到，如果能讓大腦的神經元感光不就好咯？于是他將光敏感的蛋白安裝到大腦的神經元，給大腦中的神經元裝上了眼睛，大腦中的神經元就看到了更加美麗多彩的世界，腦科學家們也進入了另外一個研究的新時代。這項技術就是光控基因技術，即光遺傳~

Deisseroth, D., 2011. Optogenetics. Nature Methods, 8(1): 26-29.

（另據小道消息，這位少年現在正計劃把人類大腦變成透明的以方便研究，讓我們一起期待這項黑科技吧，啦啦啦……）

光遺傳技術的基本原理即找到合適的光敏蛋白，將翻譯感光元件蛋白的DNA通過轉導、轉染或者轉基因的方法整合到靶標細胞基因組中，使靶標細胞能夠響應指定的光源。舉個栗子，

當與藍光光敏蛋白ChR2共價結合的all-trans-retinal吸收了光子，促使ChR2分子構象發生變化，蛋白中間出現陽離子通道，Na離子和Ca離子的內流就可使細胞內電位上升，細胞去極化興奮。

如果表達ChR2的是神經細胞，膜電位去極化可激活在軸突末端的電壓門控鈣通道，軸突末端的鈣內流可促使神經細胞產生動作電位，釋放神經遞質囊泡。通過光線刺激不同的細胞，即可刺激不同細胞產生響應，獲得不同組織部分對于行為的作用，進而控制小鼠的行為。很神奇有沒有，不用打針吃藥，也不管小鼠是做夢還是活動，只要一點點光源刺激，即可讓它聽指揮！

下面請欣賞，啞劇，光控小鼠斗手套！

Nature Methods雜志在十周年之際推出了紀念特刊，點評了在過去十年中對生物學研究影響最深的十大技術，其中就包括光遺傳學技術。應用這個方法，針對動物行為學的研究可謂是突飛猛進。