作为一名执业精神科医生，我每天都面临着我所在领域的局限性。尽管临床医生和研究人员做出了崇高的努力，但我们对精神疾病根源的有限认识阻碍了对治疗方法的探索，并加剧了对这个巨大问题的污名化，而这个问题是全球范围内因死亡或残疾而损失生命年的首要原因。显然，我们在精神病学方面需要新的答案。但正如科学哲学家卡尔·波普尔可能说的那样，在我们找到答案之前，我们需要提出新问题的能力。换句话说，我们需要新技术。
然而，开发合适的技术是困难的，因为哺乳动物的大脑复杂程度无与伦比。它是一个复杂的系统，其中数百亿相互交织的神经元——具有无数不同的特征和连接模式——以精确的时间、毫秒级的电信号和丰富的生物化学信使进行交换。正是由于这种复杂性，神经科学家对大脑的真正作用缺乏深刻的理解——即特定脑细胞内的特定活动模式最终如何产生思想、记忆、感觉和情感。由此推论，我们也不知道大脑的生理故障如何产生不同的精神疾病，如抑郁症或精神分裂症。将精神疾病归结为化学失衡和神经递质水平改变的统治范式，并不能充分体现大脑高速的电神经回路。因此，精神疾病的治疗基本上是偶然的：对许多人有帮助，但很少具有启发性。
因此，难怪诺贝尔奖获得者弗朗西斯·克里克在1979年《大众科学》的一篇文章中提出，神经科学面临的主要挑战是需要控制大脑中一种类型的细胞，同时保持其他细胞不变。电刺激无法应对这一挑战，因为电极是一种过于粗糙的工具：它们会刺激插入部位的所有细胞，而不区分不同的细胞类型，而且它们的信号也不能精确地关闭神经元。克里克后来在讲座中推测，光可以作为一种控制工具，因为它可以用一系列颜色和位置以精确定时的脉冲传递，但当时没有人知道如何让特定细胞对光做出反应。
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与此同时，在生物学领域，与哺乳动物大脑的研究相去甚远，研究人员正在研究微生物，这些微生物直到很久以后才被证明是相关的。至少在40年前，生物学家就知道一些微生物产生蛋白质，这些蛋白质直接调节电荷跨膜流动以响应可见光。这些蛋白质由一组特定的“视蛋白”基因产生，有助于从微生物环境中的光中提取能量和信息。1971年，当时都在加州大学旧金山分校的瓦尔特·斯托肯纽斯和迪特尔·奥斯特海尔特发现，其中一种蛋白质细菌视紫红质充当单组分离子泵，可以被绿光光子短暂激活——这是一种非凡的一体化分子机器。后来，在1977年鉴定了该蛋白质家族的其他成员——盐视紫红质，以及在2002年鉴定了通道视紫红质——延续了1971年的一体化单基因控制的最初主题。
事后看来，克里克挑战的解决方案——一种显着推进大脑研究的策略——实际上在他提出挑战之前就已在原则上存在。然而，这些概念花了30多年的时间才在新技术光遗传学中结合在一起。
光遗传学是遗传学和光学的结合，用于控制活体组织（不仅仅是神经系统）中任何特定细胞内明确定义的事件。它包括发现并将赋予光响应性的基因插入细胞；它还包括将光传递到大脑的相关技术，将光的效果导向感兴趣的基因和细胞，以及评估读数或这种光学控制的效果。光遗传学让神经科学家兴奋的是，它在定义的时间提供了对定义细胞类型内定义事件的控制——这种精确度不仅是根本性的新突破，而且很可能对生物学理解至关重要。
细胞中任何事件的意义只有在组织其余部分、整个生物体甚至更大环境中发生的其他事件的背景下才能理解。例如，即使神经元放电时间偏移几毫秒，有时也会完全逆转其信号对神经系统其余部分的影响。成千上万的科学家现在正在运用光遗传学来了解选定神经元组内的特定活动模式如何导致蠕虫、果蝇、鱼、鸟类、小鼠、大鼠和猴子复杂的生理和行为。这项工作已经为人类问题带来了重要的见解，包括抑郁症、睡眠障碍、帕金森病和精神分裂症。
用光照亮生命
生物学有着使用光来干预生命系统的传统。研究人员长期以来一直采用一种称为CALI的光基方法来破坏，从而抑制选定的蛋白质；激光也已被用于破坏特定细胞，例如，在蠕虫秀丽隐杆线虫中。相反，贝尔实验室的理查德·L·福克（在1970年代）和哥伦比亚大学的拉斐尔·尤斯特（在2002年）报告了用激光刺激神经元的方法，激光部分破坏了细胞膜。在过去的十年中，格罗·米森伯克（当时在纪念斯隆-凯特琳癌症中心）以及埃胡德·伊萨科夫、理查德·H·克雷默和德克·特劳纳（当时都在加州大学伯克利分校）的实验室采用了多组分系统，用光调节目标细胞。例如，他们引入了一种调节神经元的蛋白质和一种化学物质，这种化学物质会在紫外线触发时刺激蛋白质发挥作用。
然而，破坏感兴趣的蛋白质或细胞显然限制了人们的实验选择，而依赖于多个组分的方法，尽管优雅而有用，但会带来实际挑战，并且在哺乳动物中尚未得到广泛应用或实用性。向单组分策略的根本转变是必要的。事实证明，这种单组分策略无法建立在早期方法的任何部分或方法之上，而是采用了来自微生物的非凡的一体化光激活蛋白质：细菌视紫红质、盐视紫红质和通道视紫红质。
2000年，在细菌视紫红质和盐视紫红质为科学界所知之后很久，日本的Kazusa DNA研究所在线发布了数千个来自莱茵衣藻的新基因序列。在审查这些序列时，当时在柏林雷根斯堡大学的彼得·黑格曼预测莱茵衣藻会有一个光激活离子通道，他注意到两个与细菌视紫红质的长序列相似的序列，从Kazusa获得了它们的副本，并要求格奥尔格·纳格尔（当时是法兰克福的首席研究员）测试它们是否确实编码离子通道。2002年，黑格曼和纳格尔描述了他们的发现，其中一个序列编码了一种对蓝光敏感的单蛋白膜通道：当被蓝色光子击中时，它调节带正电离子的流动。因此，该蛋白质被命名为通道视紫红质-1，或ChR1。第二年，纳格尔和黑格曼（以及他们的同事，包括法兰克福的恩斯特·班伯格）探索了另一个序列，并将编码的蛋白质命名为通道视紫红质-2，或ChR2。几乎与此同时，德克萨斯大学休斯顿医学院的约翰·L·斯普迪奇单独提供了证据，证明这些基因对莱茵衣藻的光依赖性反应很重要。然而，这些通道视紫红质——第三种单组分光激活离子电导蛋白质——的发现，并没有像前几十年细菌视紫红质和盐视紫红质的发现那样立即转化为神经科学的进步。
许多科学家向我透露，他们曾考虑将细菌或藻类视蛋白基因插入神经元，并尝试用光控制改变后的细胞，但放弃了这个想法。动物细胞不太可能有效或安全地制造微生物蛋白质，而且这些蛋白质几乎肯定太慢太弱而无法有效发挥作用。此外，为了发挥作用，这些蛋白质需要一种额外的辅助因子——一种称为全反式视黄醛的维生素A相关化合物来吸收光子。浪费时间和金钱的风险太大了。
然而，对于我在斯坦福大学组建的生物工程研究团队来说，改善对临床精神病学的理解的动力足以证明极高的失败风险是合理的。在我的精神科住院医师实习期间，我亲眼目睹了药物和电休克疗法等治疗方法的缺点和副作用。这种经历促使我愿意冒险，因此，作为2004年斯坦福大学的首席研究员，我组建了一个团队，其中包括研究生爱德华·S·博伊登和冯·张，以应对这一挑战。我通过转染的成熟技术将通道视紫红质-2引入培养的哺乳动物神经元中——也就是说，通过将ChR2的基因和一种特定的“开启开关”或启动子拼接到一个载体（如良性病毒）的基因中，该载体将添加的遗传物质运送到细胞中。启动子可以确保只有选定的神经元类型（例如，只有那些能够分泌神经递质谷氨酸的神经元）才会表达或制造编码的视蛋白。
出乎意料的是，实验成功了——而且效果出奇地好。仅仅使用安全的可见光脉冲，我们就获得了对细胞动作电位放电模式的可靠、毫秒级精度控制——电压脉冲或冲动，使一个神经元能够将信息传递给另一个神经元。2005年8月，我的团队发表了第一份报告，表明通过将单个微生物视蛋白基因引入哺乳动物神经元中，我们可以使细胞精确地对光做出反应。事实证明，通道视紫红质（以及最终我们发现的1971年的细菌视紫红质和盐视紫红质）都能够响应光有效地、安全地开启或关闭神经元。它们发挥作用的部分原因是，作为来自大自然的意外礼物，哺乳动物组织恰好含有大量天然的全反式视黄醛——光子激活微生物视蛋白所必需的一种化学辅助因子——因此除了视蛋白基因之外，不需要向目标神经元添加任何东西。
我们的初步报告发表于2005年，一年后，我的斯坦福大学同事马克·施尼策和我在一篇评论文章中将该方法命名为“光遗传学”。到那时，世界各地的实验室都在使用它，使用我的团队合成的这些基因的版本，以在哺乳动物细胞中发挥最佳作用。截至今天，我们已将这些基因发送到大约700个实验室。
改进自然
由于生态学和工程学的惊人融合，光遗传学工具的数量及其功能的种类迅速扩展。研究人员正在通过在自然界中搜寻新的视蛋白来添加到他们的工具包中；他们还在应用分子工程来调整已知的视蛋白，使其对更广泛生物体中更多样化的实验更有用。
例如，在2008年，冯·张领导的我们对另一种藻类物种——Volvox carteri——的基因组搜索揭示了第三种通道视紫红质（VChR1），正如我们与黑格曼一起展示的那样，它对黄光而不是蓝光做出反应。通过同时使用VChR1和其他通道视紫红质，我们可以同时控制混合细胞群，黄光对其中一些细胞施加一种类型的控制，而蓝光向其他细胞发送不同的命令。我们现在发现，最有效的通道视紫红质实际上是VChR1和ChR1的混合体（根本没有ChR2的贡献）。我们的其他修饰视蛋白（与Ofer Yizhar、Lief Fenno、Lisa Gunaydin以及黑格曼及其学生共同创造）现在包括“超快”和“超慢”通道视紫红质突变体，它们可以精确控制动作电位的时间和持续时间：前者可以以每秒超过200次的速度驱动动作电位，而后者可以用单次光脉冲将细胞推入或推出稳定的兴奋状态。我们最新的视蛋白现在也可以对接近红外线的深红色光做出反应，这种光保持更清晰的焦点，更容易穿透组织并且耐受性非常好。
分子工程学还将光遗传学控制从细胞的电行为扩展到它们的生物化学。所有已批准的医疗药物中的很大一部分作用于称为G蛋白偶联受体的一系列膜蛋白。这些蛋白质感知细胞外信号化学物质，如肾上腺素，并通过改变细胞内生物化学信号（如钙离子）的水平以及细胞的活动来做出反应。通过将来自视紫红质分子的光感应域添加到G蛋白偶联受体中，Raag D. Airan和我实验室的其他成员开发了一组称为optoXRs的受体，这些受体对绿光快速反应。当病毒将optoXRs的遗传构建体插入实验室啮齿动物的大脑中时，optoXRs为我们提供了对动物在笼子内自由移动时的生物化学事件的控制。因此，现在可以在实验室培养皿和未束缚的哺乳动物中实现对生物化学途径的快速和细胞类型特异性光学控制；这种对生物化学的控制为光遗传学打开了生物学中几乎每个细胞和组织的大门。
现在在各种微生物基因组中发现的许多天然视蛋白基因编码哺乳动物细胞无法很好地制造的蛋白质。但我小组中的维维亚娜·格拉迪纳鲁开发了许多通用策略来改善它们的递送和表达。例如，可以将DNA片段与视蛋白基因捆绑在一起，充当“邮政编码”，以确保基因被运输到哺乳动物细胞内的正确区室，并正确翻译成功能性蛋白质。借助我们在2006年和2007年开发的光纤工具，研究人员现在可以将光传递到大脑的任何区域——无论是表面还是深层——以在自由移动的哺乳动物中进行光遗传学控制。为了实现对光遗传学控制引发的动态电信号的同步读出，我们开发了毫秒级仪器，这些仪器是光纤和电极的集成混合体（我们称之为“光电极”）。
光学刺激和电记录之间可以产生美丽的协同作用，因为两者可以设置为互不干扰。例如，我们现在可以直接观察运动控制中涉及的神经回路中不断变化的电活动，同时我们正在用微生物视蛋白光学控制这些回路。神经回路的光遗传学输入和电输出越丰富和复杂，我们就越能朝着神经回路的逆向工程形式迈进：我们将能够
从神经回路如何转换我们的信号来推断神经回路的计算和信息作用。对健康神经回路进行逆向工程将为确定精神和神经疾病状态下的哪些特性和活动存在差异提供绝佳机会。反过来，这些知识应该有助于指导人们努力寻找能够恢复这些回路正常状态的干预措施。
逆向工程思维
光遗传学作为一种研究工具的重要性，特别是与其他技术结合使用时，继续快速增长。近年来，神经科学基于称为功能性磁共振成像（fMRI）的大脑扫描技术取得了许多进展。这些扫描通常被认为是提供了对各种刺激的神经活动详细图谱。然而，严格来说，fMRI仅显示大脑不同区域的血氧水平变化，而这些变化只是实际神经活动的替代指标。
因此，一直存在一些令人担忧的不确定性围绕着这些复杂信号是否可以由局部兴奋性神经活动增加触发的问题。然而，在今年五月，我的实验室使用光遗传学和fMRI（ofMRI）的结合来验证局部兴奋性神经元的放电是否完全足以触发fMRI扫描仪检测到的复杂信号。此外，光遗传学和fMRI的结合可以以以前使用电极或药物无法实现的精确度和完整性绘制功能性神经回路图。因此，光遗传学正在帮助验证和推进神经科学和精神病学领域的大量科学文献。
事实上，光遗传学的影响已经直接影响到一些人类疾病问题。在动物中，我们对大脑深处一种先前与嗜睡症睡眠障碍有关的神经元（下丘脑分泌素细胞）使用了光遗传学。我们发现，这些神经元中特定类型的电活动会引发觉醒。因此，找到一种在临床上诱导神经活动的方法可能有一天会提供一种治疗方法，但最重要的是科学见解，即特定细胞中的特定类型活动可以产生复杂的行为。
光遗传学还有助于确定多巴胺生成神经元如何产生奖励和快乐感。我的团队在自由移动的小鼠中光遗传学诱导了明确定义的多巴胺神经元组中不同定时的活动爆发。我们确定了似乎驱动动物奖励感的刺激模式。在没有任何其他线索或奖励的情况下，小鼠选择在它们的多巴胺神经元中接受特定类型活动爆发的地方花费更多时间。这些信息对于梳理正常奖励过程和抑郁症和药物滥用中涉及的快乐系统病理学的细胞活动非常有用。
光遗传学方法还提高了我们对帕金森病的理解，帕金森病涉及大脑某些运动控制回路中的信息处理障碍。自1990年代以来，一些帕金森病患者从一种称为脑深部刺激的疗法中获得了一定程度的缓解，在这种疗法中，类似于起搏器的植入设备将精心定时的振荡电刺激应用于大脑深处的某些区域，例如丘脑下核。
然而，这项技术对帕金森病（以及实际上对各种其他疾病）的希望受到部分限制，因为电极会不加选择地刺激附近的脑细胞，而且对应用哪些刺激的医学理解严重不足。然而，最近，我们使用光遗传学研究了帕金森病动物模型，并获得了对患病回路的性质和治疗干预措施作用机制的基本见解。
例如，我们发现，当脑深部刺激的目标不是细胞而是细胞之间的连接时，它可能是最有效的——影响大脑区域之间活动的流动。并且，通过与加州大学旧金山分校的同事阿纳托尔·克雷泽合作，我们功能性地绘制了大脑运动回路中的两条通路：一条减慢运动，另一条加速运动，可以抵消帕金森病状态。
我们还了解了如何刺激一种细胞——新皮质小白蛋白神经元，以调节大脑活动中称为伽玛振荡的每秒40个周期的节律。科学界早就知道精神分裂症患者的小白蛋白细胞发生了改变，并且伽玛振荡在精神分裂症和自闭症中都是异常的——但这些相关性的因果含义（如果有的话）尚不清楚。使用光遗传学，我们证明小白蛋白细胞用于增强伽玛波，而这些波反过来又增强了信息通过皮质回路的流动。
在我的精神分裂症患者中，我清楚地看到了信息处理问题，其中平凡的随机事件被错误地视为更大主题或模式的一部分（可能是导致偏执和妄想的信息问题）。这些患者还遭受内部“通知”机制的某种失败，该机制在我们产生想法时通知我们（可能是潜在的“听到声音”的可怕现象的信息问题）。在我的自闭症谱系障碍患者中，我看到的是信息处理过于受限，而不是信息连接不恰当的广泛：他们只关注物体、人、对话等的部分，从而错过了大局。这些信息处理失败可能导致沟通和社交行为失败；因此，更好地理解伽玛振荡可能会为这些复杂疾病提供见解。
作为一名医生，我发现这项工作令人兴奋，因为我们正在将工程原理和定量技术应用于破坏性的、看似“模糊”且棘手的精神疾病。因此，光遗传学正在帮助精神病学走向网络工程方法，在这种方法中，大脑的复杂功能（及其产生的行为）被解释为神经系统的特性，这些特性是从组成细胞和回路的电化学动力学中产生的。因此，它从根本上改变了我们对电兴奋组织在健康和疾病中的功能的理解。从惊叹于一种奇怪的细菌蛋白质——细菌视紫红质——对光的反应方式开始，这确实是一段漫长（且不可预测）的旅程。
意外的收获
在神经科学学会会议和其他一些非常大型的会议上，我偶尔听到同事建议，与其进行更多样化的探索，不如将数万名科学家集中在一个庞大而紧迫的项目上——例如，阿尔茨海默病，这样效率更高。然而，定向和目标性研究变得越强，我们就越有可能减缓整体进展，也就越肯定，那些真正具有颠覆性想法可能产生的遥远而未知的自然领域，将完全与我们共同的科学旅程隔绝。
光遗传学的教训是，古老的、脆弱的和稀有的——甚至是池塘浮渣或来自撒哈拉盐湖的细胞——对于理解我们自己和我们的现代世界至关重要。这项技术背后的故事强调了保护稀有环境生态位和支持真正基础科学的重要性。我们永远不应忘记，我们不知道科学的漫长征程将把我们带向何方，也不知道照亮我们道路需要什么。
光遗传学挑战伦理吗？
光遗传学现在加入了大脑调节技术的行列，如精神药物和外科手术干预，这些技术足够强大，足以引发伦理和哲学问题。然而，如果我们从另一个角度来看，光遗传学实际上比那些旧策略更安全，并且伦理考虑更少。光遗传学增强的力量和特异性与其技术复杂性相关联：几乎不可能在不知情或不愿意的患者身上使用光遗传学。
然而，更微妙（或许也更有趣）的新问题源于光遗传学的精确性。在某种程度上，我们个性的所有方面、优先事项、能力、情感和记忆都源于特定时间模式中特定神经元组内的电化学事件。控制这些思维的关键组成部分将引发具有挑战性的哲学问题，从何时适合或有理由进行此类修改，到关于自我和意志的本质和可修改性的更抽象问题。
基于手术、药物或电极的神经干预在历史上一直非常粗糙，以至于那些重要的哲学问题更多的是理论而非实践；伦理学家和法律只是部分地解决了这些问题。考虑到我们目前影响人类情感和心理现实构建的医疗能力，精神科医生对这类问题并不陌生。
但时代在变化，正如过去几年光遗传学发展的惊人速度所例证的那样。我们在干预的时间和细胞精度方面的巨大飞跃，需要社会持续和周到的考虑，就像所有先进技术一样。因此，神经科学家必须准备好向感兴趣的非专业人士仔细解释光遗传学实验对我们理解和治疗人类思维的意义（以及不意味着什么）。