光遗传学可能是当今神经科学领域最热门的词汇。它指的是利用细胞的基因改造技术，使其能够通过光来操纵。最终结果就像床头灯一样，可以开关脑细胞。
这项技术使神经科学家能够实现以前无法想象的壮举，其两位发明者——斯坦福大学和霍华德·休斯医学研究所的卡尔·戴瑟罗思以及麻省理工学院的埃德·博伊登——于11月8日获得了生命科学突破奖，以表彰他们的努力。这项技术能够远程控制运动回路——一个例子是让动物在开关的轻 flick 下绕圈跑。它甚至可以标记和改变当小鼠探索不同环境时形成的记忆。这些类型的研究使研究人员能够牢固地建立特定神经回路中的电活动与行为和认知各个方面之间的因果关系，使光遗传学成为当今神经科学中最广泛使用的方法之一。
随着其受欢迎程度飙升，新的技巧不断添加到光遗传学的武器库中。最新的突破有望为这项技术带来自问世以来最大的进步。研究人员已经设计出扩展光遗传学的方法，使其能够与功能性大脑内部移动的信号进行动态对话。
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“光遗传学”一词通常指的是对神经元的控制。研究人员将一种光敏蛋白的基因插入细胞中。然后，细胞在其表面产生该蛋白质。当这些细胞随后暴露在光线下时，通道打开，带电粒子（正钠离子）涌入内部，导致细胞“放电”产生“尖峰”，向其他细胞发送电信号。最常用的蛋白质是“通道视紫红质”，最初在藻类中发现，但也有一种来自埃及盐湖中发现的细菌的蛋白质，具有相反的效果。负离子，而不是正离子（氯离子），涌入细胞，阻止其放电。因此，研究人员可以利用这两种驱动蛋白，用光来开关神经元。这可以通过光纤电缆来实现，因此研究人员可以操纵自由移动动物的神经元，并观察对行为的影响。
基因通过各种形式的基因操作传递。不同的基因被开启，或在不同类型的细胞中表达，因此该基因伴随着一个特殊的基因序列，称为启动子，它仅在特定的细胞类型中活跃，从而确保蛋白质仅在所需的目标中产生。
更广泛地说，光遗传学指的是任何使用遗传学加光学与细胞进行通信的方法——这可能意味着观察细胞活动，而不仅仅是开关神经元。以前曾使用过非遗传方法，例如荧光染料，它可以响应活动而增加细胞照明，但缺乏靶向特定类型细胞的精确性。
一种观察细胞中正在发生的新方法利用了相同的基因靶向方法来开关回路。不同的是，现在指示蛋白通过基因调整整合到选定的细胞中。指示剂通常由对细胞活动敏感的蛋白质与荧光蛋白连接而成，因此它们会响应细胞的放电而发光。将这些基因靶向的光学读数与用于控制细胞活动的标准工具库相结合，释放了光遗传学的全部潜力。这种组合技术使研究人员能够仅使用光脉冲与选定神经元群体进行双向对话。一旦克服各种技术难题，研究人员将能够与单个神经元进行实时对话，从而实现与清醒、功能性大脑进行前所未有的水平的互动。
在最近于芝加哥举行的神经科学学会会议上，几位主要研究人员谈到了“神经回路的全光学审问”，并在《神经科学杂志》上共同撰写了一篇随附的评论。他们概述了所涉及的挑战，并描述了克服这些障碍的开创性工作。这种方法有可能从字面上照亮大脑活动与认知、行为和情感之间的关系。这个目标与美国脑计划非常吻合，该计划旨在鼓励开发探索神经信号与认知之间联系的新工具。
演讲者和合著者之一是斯坦福大学的神经科学家和执业精神科医生戴瑟罗思，他与同事博伊登一起开发了最初的基于通道视紫红质的光敏驱动细胞，这为两人赢得了最近的突破奖。戴瑟罗思的研究始终着眼于精神病学。
这项新工作侧重于克服现有技术方法的局限性。两种主要类型的基因插入指示剂常用于这些全光学设备。钙指示剂利用了当神经元放电时，细胞上的钙通道打开，导致钙水平升高的事实。指示剂利用这一点来使钙敏感蛋白变形，该蛋白与发出光的荧光蛋白连接。主要问题是速度。“钙信号很慢，它们持续一秒左右，而大脑的速度要快一点，”伦敦帝国学院光遗传学和回路神经科学主席托马斯·克诺普费尔说，他没有在会议上发言。此外，钙水平也可能在神经元不放电的情况下发生变化，而一些实际上不会导致神经元放电的重要变化不会改变钙水平。这是因为钙是研究人员真正感兴趣的信号——电压的替代物。
克诺普费尔已经开发基因编码电压指示剂 (GEVI) 20 年了。与钙指示剂相比，主要问题是信号较弱且更难检测。更快的信号只会加剧这些问题，这需要更短的曝光时间。信号也往往更嘈杂。
另一个挑战是观察或刺激大脑深处的细胞。传统的单光子显微镜存在深度穿透性和图像质量差的问题——光子被组织吸收和散射。双光子显微镜使用近红外光克服了这个问题。波长较长的光可以穿透组织，但由于光子的能量较低，因此必须有两个光子撞击蛋白质才能激发它，因此得名。这具有的优点是只有光束的微小焦点中的蛋白质才会被刺激，但这也意味着，当试图刺激神经元时，只有少数通道被激活，这可能不足以触发尖峰。
有两种方法可以解决这个问题：一种是使用扫描激光器，它可以快速扫描目标（无论是单个还是多个细胞）上的激光束，按顺序激活许多通道。另一种涉及并行方法，它使用全息技术将光束塑造成所需的图案，一次性照亮整个目标。这种方法甚至可以产生三维照明图案，刺激不同深度的细胞。不过，主要优点是速度。“需要精确控制尖峰时间的应用最好使用并行方法，”巴黎笛卡尔大学神经光子学实验室的瓦伦蒂娜·埃米利亚尼说，她是主要评论作者，她在会议上介绍了她小组的全息工作。
不过，最大的障碍是，如果波长重叠，用光刺激和记录活动都会引起问题。这尤其具有挑战性，因为用作指示剂的蛋白质需要被光激发才能发光。“用于成像和光刺激的化合物具有非常重叠的光谱，”埃米利亚尼说。“很难照亮你的制备物进行成像，同时确保你不会同时进行光刺激。”同样，研究人员必须小心，他们记录的指示剂信号不会被用于刺激的波长破坏。
因此，该领域的许多工作现在都集中在寻找波长不重叠的蛋白质。例如，哈佛大学生物物理学家亚当·科恩和他的团队与麻省理工学院埃德·博伊登的团队一起展示了工作成果，该成果将向蓝色波长移动的通道视紫红质与发射近红外的电压指示剂结合在一起。这些小组已经在活体小鼠中使用了名为 QuasAr 的指示剂，并在用蓝色光刺激神经元的同时，在源自路易·格里克病患者的干细胞培养物中用红色光进行监测。他们计划接下来在活体动物中测试这种组合。
一旦克服了这些挑战，全光学技术可能会彻底改变神经科学，使研究人员能够同时精确地控制和监测来自单个神经元或大型神经元集合的单个尖峰，即使实验动物自由移动。“这种方法将开启一系列全新的实验，”伦敦大学学院的神经科学家迈克尔·豪瑟说，他与埃米利亚尼共同主持了会议。“释放光遗传学的全部潜力需要超越靶向基因定义的细胞类型，而是根据功能特性而非仅仅基因身份来靶向细胞。”
换句话说，这些创新将使研究人员能够根据细胞的行为方式来调整他们刺激细胞的方式，而不是仅仅被动地监测，或观察必须事先仔细计划神经元刺激水平的实验结果。“如果你可以根据活动模式定制刺激，你就可以在运行时进行操作，”豪瑟解释说。“例如，在决策实验中，如果你可以实时跟踪神经元集合的活动，你就可以通过操纵正在形成的集合来更有效地影响行为。”
“与我们以前可以做的相比，这是两项改变游戏规则的进步：靶向功能集合和实时操纵活动，”豪瑟说。“最终，这些方法可能有助于定义大脑中用于驱动行为的神经代码。”