在波士顿的一个神经科学实验室里，一只小鼠正在探索一个塑料箱子，它的鼻子在箱子的这个角落和那个角落里探寻。这种行为很正常，但这只啮齿动物带有一个新奇的假体：一根细玻璃光纤从它的头部伸出，并连接到一个可以产生短暂蓝色光脉冲的激光器。光纤指向大脑深处的一小簇细胞，这些细胞制造神经递质多巴胺。
滥用药物会增加大脑中的多巴胺水平，这表明神经递质传递奖励或快乐，有时会造成有害的后果——但没有人知道制造多巴胺的细胞在成瘾中的确切作用。通过专门刺激这些细胞，我的团队与韩国科学技术院的神经科学家克里斯·菲奥里洛合作，希望找出答案。
也许是出于好奇，这只小鼠将鼻子伸入箱子的一个装有运动传感器的角落，触发了来自激光器的蓝色闪光，蓝光沿着光纤传播，激活了靠近其尖端的多巴胺神经元。小鼠停顿了一秒钟，然后再次将鼻子伸入传感器，又获得了一次光脉冲。它一遍又一遍地重复这种行为，为了获得光而努力。2012 年发表的结果表明，即使只是短暂地激活这一小簇多巴胺细胞，也能使动物更多地做它刚才正在做的事情。通过这种方式，多巴胺神经元可以直接驱动一种让人联想到成瘾的行为模式。
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当然，多巴胺细胞通常不会被光激活。我们使用一种我们开发的称为光遗传学的技术，使它们对光敏感。我们赋予神经元分子，这些分子充当微型太阳能电池板，使它们能够将光照转换为电信号，这是大脑中计算的货币。通过将这些微型太阳能电池板分发给大脑中成千上万种神经元中的一种，我们可以确定这些细胞在行为、感觉处理甚至疾病中的精确作用。
一个世纪以来，神经科学家一直使用电力来触发神经元活动，电流通过导线向下传输。例如，在 20 世纪 50 年代，神经外科医生怀尔德·彭菲尔德发现，刺激癫痫患者大脑中的某些部位会导致他们回忆起童年记忆。其他人发现他们可以创造视觉感知，使普通事物看起来很有趣，甚至可以部分地唤醒昏迷中的人。刺激大脑可以证明特定区域的神经元以一种简单观察大脑无法实现的方式驱动复杂的突发行为。
但是，由于大脑在每立方毫米的组织中 packed 大约 100,000 个神经元和 10 亿个突触连接，因此即使电刺激大脑中的微小位置也会激发非常大量的不同种类的相互交织的细胞。因此，电力无法阐明究竟哪些细胞驱动哪些行为。相比之下，如果单种类型的细胞（例如多巴胺神经元）配备了光敏感分子，则光照将专门激发这些细胞。在过去的十年中，数百个研究小组使用光遗传学来了解各种神经元网络如何促进行为、感知和认知。例如，他们已经确定了一组触发攻击行为的神经元，另一组可以驱动记忆回忆的神经元，以及第三组可以增强细节感知的神经元。近年来，我们扩大了我们的分子工具箱，不仅包括激活神经元的分子，还包括沉默神经元的分子。我们发现了对不同波长光线做出反应的蛋白质，使科学家能够一次调节多组相互作用的神经元。结果是对大脑回路进行越来越精确的操纵。
光遗传学还在揭示脑部疾病治疗的潜在靶点，脑部疾病影响着全球超过 10 亿人。通过揭示神经回路的工作原理，该技术可以为药物和植入式电刺激器指向大脑中更好的靶点。如果光遗传学能够适用于人类，这个过程将需要先进的基因治疗技术，并且可能还需要数年时间，那么大脑动力学就可以被极其精确地塑造。人们也许能够立即降低癫痫发作期间的异常活动，或增强帕金森病患者的运动功能。使视觉细胞对光敏感甚至可能为失明提供治疗方法。
来自藻类的借鉴
遍布生命之树的生物体都包含捕获光并利用光驱动重要电或化学过程的分子。在光合作用中，这些分子将光转化为富含能量的化合物；其他生命形式将这些分子用于一种原始的视觉。1971 年，已故的加州大学旧金山分校的生物学家瓦尔特·斯托肯尼乌斯和现在的马克斯·普朗克生物化学研究所的生物学家迪特尔·厄斯特海尔特发现，一类生活在非常咸的水中的单细胞生物拥有光驱动蛋白，这些蛋白位于细胞膜中。在光照下，这些蛋白质将质子（带正电的离子）从膜的一侧输送到另一侧。这些被称为细菌视紫红质的蛋白质支持细胞代谢，并可能帮助细菌在光以外的能量来源稀缺的恶劣环境中茁壮成长。
在 20 世纪 70 年代后期，科学家在相同的生物体中发现了光驱动的氯离子泵，称为卤视紫红质。在 2002 年，在绿藻中发现了一类第三类分子，光门控离子通道，称为通道视紫红质；它们将光转换为分子信号，控制藻类的鞭毛，使微生物能够转向池塘表面以捕获阳光。几十年来，生物物理学家、微生物学家和其他科学家研究这些分子，以更好地了解生物体如何与光相互作用。
作为一名工程师，我开始对这些微小的光驱动执行器的潜在效用着迷。2000 年春天，作为斯坦福大学的研究生，我与我的同学卡尔·戴瑟罗思一起集思广益，讨论我们可以开发哪些技术来从根本上加速对大脑的研究。凭借我在电气工程和物理学方面的培训，我希望开发出像分析计算机电路一样分析大脑的工具。我开始想象将这些微生物离子泵插入脑细胞的膜中，这样，当光线照射到它们时，负离子就会移动到细胞中以关闭它们——或者，有可能将正离子输送到细胞中并增强它们的活动。使用任何一种操作，我们都可以确定这些神经元在特定行为或病理状态中的作用。
活体生物制造这些蛋白质的事实意味着我们很可能将它们基因工程改造到其他生物体中，例如小鼠，也许有一天会进入人体。在生物体内，基因指定蛋白质的产生，因此如果我们将这些光敏感蛋白质的基因传递到脑细胞中，理论上，细胞可以完成剩下的工作。当前的基因工程技术不允许我们系统地将基因定向到特定的细胞类型，例如多巴胺神经元。但是，我们可以定制基因，使其蛋白质仅在某些细胞中制造或表达。由于不同类型的细胞会开启不同的基因组，我们可以采用仅由多巴胺神经元开启的 DNA 序列，并将这些片段连接到我们想要插入的基因上。然后，当我们将基因传递给小鼠时，只有多巴胺细胞才会产生其蛋白质。
我请几位同事给我发送编码光激活离子泵的 DNA 片段，以便我可以开始尝试将它们导入神经元。一个挑战是找到在哺乳动物大脑中起作用的光驱动泵，哺乳动物大脑与极端的盐水环境截然不同。2003 年底，我阅读了德国维尔茨堡大学的生物物理学家格奥尔格·纳格尔和他的同事在当年早些时候发表的一篇论文。纳格尔的团队已成功地将来自绿藻的光门控离子通道基因插入培养的哺乳动物细胞中。细胞产生了一种功能性蛋白质，即通道视紫红质-2，它响应光线将带正电的离子输送到细胞中。
当时的博士后学者戴瑟罗思和我请纳格尔将他的基因发送给我们。戴瑟罗思用该基因浸泡了培养的神经元，在 2004 年 8 月 4 日凌晨 1 点，我用显微镜上的灯发出的蓝色闪光照射了第一个神经元。这个实验有点冒险。我们不知道一种进化出来帮助藻类朝光移动的离子通道是否会对神经元产生任何影响。例如，该通道可能会以错误的速度打开，或者产生的电流太小而无法改变神经元信号传导。插入的蛋白质也可能因任何数量的原因而被证明对神经元有毒。
然而，令我惊讶的是，第一个测试神经元做出了反应，像神经元自然产生的电脉冲一样发射了电脉冲。更重要的是，神经元看起来没有任何损伤。它轻松地 survived 插入的这种来自植物的蛋白质。我们已经使用光可靠地刺激了培养神经元中的电活动和神经递质释放；我们在 2005 年的一篇论文中描述了这些结果。
然后，我开始与同事合作，扩展我们的神经控制工具箱。在 2007 年发表的一篇论文中，当时我还是麻省理工学院的助理教授，现在的波士顿大学的神经工程师薛寒和我表明，当插入神经元后，卤视紫红质会泵入氯离子（带负电），并沉默神经信号传导。在接下来的两年里，现在的宾夕法尼亚大学的神经工程师布赖恩·周、寒和我发现了光驱动质子泵，它可以将带正电的离子泵出细胞，从而响应光线抑制神经活动。
几年前，我们当时的研究生内森·克拉珀特克通过挖掘藻类基因序列数据库，发现了光驱动离子通道，它可以足够快地响应，产生大脑中看到的最快的电脉冲。同样来自这个数据库，克拉珀特克鉴定出响应红光激活神经元的离子通道，红光的波长更长，可以比蓝光更深入地穿透组织，因此可以从更远的地方激活神经元。我们实验室的一名研究生艾米·庄还发现了一种离子泵，它可以响应红光沉默神经元，即使在大脑深处也是如此。这些分子共同为使用不同颜色的光来调高或调低多个人群的神经元的音量打开了大门，使科学家能够绘制各种大脑回路和行为之间复杂的联系。例如，在刺激感觉通路的同时激活多巴胺神经元，可能会向我们展示来自感觉神经元的活动模式（例如与药物相关的物体或气味相关的活动模式）如何驱动行为。
攻击神经元
我们已将我们新发现的工具分发给全球 1000 多个研究小组。研究人员使用这些微生物机器来控制神经元，正在识别驱动特定行为的神经网络。几年前，现在的纽约大学的神经科学家林达瑜和加州理工学院的大卫·J·安德森想知道大脑中哪些细胞可以引发暴力。在 2011 年发表的工作中，他们和他们的同事在刚刚打过架的小鼠的大脑中寻找最近神经活动的分子标志。他们在下丘脑（一个小的、深深嵌入的大脑区域）中的一簇细胞中发现了这种标志。然而，这些神经元在攻击性行为期间的激活并不意味着它们会导致暴力，因为它们的活动可能是大脑其他部位计算的副产品。因此，研究人员将携带通道视紫红质-2 基因的病毒注射到下丘脑的这个部位，并在那里植入了一根光纤。当他们通过光纤传递光线，激活这些神经元时，小鼠立即攻击其他小鼠。它们甚至攻击手套等无生命物体，突显了这些细胞对这种复杂行为的强大影响。定义这样的回路可能会使我们更好地理解攻击行为的原因，并为帮助人们控制自己的行为提出新的方法。
研究人员还使用光遗传学来寻找记忆回忆的神经基础。在 2012 年的一项研究中，麻省理工学院的神经科学家刘旭和利根川进以及他们的同事创造了转基因小鼠，这些小鼠携带通道视紫红质-2 基因，但仅在最近活跃的神经元中表达该蛋白质。然后，小鼠在受到电击之前听到了声音。随着时间的推移，小鼠学会了将声音与电击联系起来，并且每当听到声音时，它们都会因恐惧而僵住。在一只小鼠学会这种联系后，研究人员发现，在其齿状回（海马体的一部分，已知与记忆形成有关）中的神经元正在表达通道视紫红质-2，这表明这些神经元参与了创造恐惧记忆。向这个区域传递光线会重新激活神经元，即使在没有声音的情况下，动物也会再次僵住，这表明这些神经元可以独立地触发特定记忆的回忆。通过这种方式，光遗传学可以揭示复杂信息如何存储在大脑中。
光遗传学工具还可以帮助科学家更好地理解已知大脑回路中特定类型神经元的功能。在 2012 年发表的一项研究中，现在的韩国科学技术院的神经科学家李承熙、加州大学伯克利分校的杨丹和他们的同事对小鼠进行了基因工程改造，使其在视觉皮层（大脑后部）的星形神经元中表达光遗传学激活剂。当他们打开灯开关，选择性地激活这些神经元时，当科学家向它们展示一系列表示喷嘴有水的线条时，小鼠更可靠地舔舐喷嘴。激活这些星形神经元似乎有助于小鼠区分不同方向的线条阵列，可能锐化了它们的视力。因此，当表示有水的刺激物出现时，它们更加自信。结果表明，这组神经元可以增强大脑区分环境中视觉特征的能力。
采取行动
这些技术还可以用于识别——并有可能靶向——大脑中导致各种神经系统疾病的特定回路。颞叶癫痫（成人中最常见的类型之一）患者对药物没有反应时，有时会选择手术切除大脑中产生癫痫发作的部分。根据切除的组织，治疗可能会对关键功能（如言语或运动）造成永久性损害。用光重置异常神经回路的能力可能代表这些患者更安全的选择。在 2013 年发表的工作中，加州大学欧文分校的神经科学家埃丝特·克鲁克-马格努森和伊万·索尔特斯以及他们的同事在小鼠身上朝着这个方向迈出了一步。这些小鼠被给予了一种使它们容易发生癫痫发作的药物，但也经过基因工程改造，具有解毒剂：它们在前脑的兴奋性神经元中表达卤视紫红质基因。科学家们发现，一旦癫痫发作开始就照射这些细胞，在许多情况下可以在几秒钟内阻止癫痫发作。
在其他情况下，来自动物光遗传学实验的结果表明了更安全地提供现有治疗方法的方法。例如，成千上万的帕金森病和其他运动障碍患者已将电极植入大脑，以促进运动和减少震颤。刺激通常针对一个称为丘脑底核的深层结构，因为外科医生偶然发现该位置的电极具有治疗效果。在 2009 年发表的一项实验中，现在的加州理工学院的神经科学家维维安娜·格拉迪纳鲁、戴瑟罗思和他们的同事使用光遗传学在小鼠身上测试了一种侵入性较小的帕金森病疗法。由于药物的影响，这些小鼠身体一侧因步态缓慢（帕金森病的特征之一）而跛行，导致它们绕圈行走。当研究人员使用光来激活运动皮层中制造通道视紫红质-2 的某些细胞时，这些小鼠的步态变得笔直，它们的运动也变得更加对称。由于运动皮层位于大脑表面，这一发现表明帕金森病患者可能会从放置在大脑表面甚至头皮外部的电极中获益。
在光遗传学的另一个应用中，使视觉细胞对光敏感有一天可能会成为某些类型失明的疗法。在视网膜色素变性 disorder 中，眼睛中的感光器（光敏感）细胞由于各种基因中的 100 多种突变中的任何一种而萎缩或死亡，导致失明。如果没有感光器细胞，眼睛就无法将光转换为大脑可以解释的神经信号。各个研究小组正在探索连接到摄像机的电刺激器是否可以将来自捕获图像的视觉信息传递到幸存的视觉细胞。然而，由于电力会扩散，这种技术只能产生低分辨率的视觉：人们看到光点或高度像素化的图像。另一种策略是将一种将光转换为神经信号的蛋白质基因传递给一组幸存的细胞。这种技术已经恢复了失明小鼠的某些视力。几个团队（其中一些在生物技术公司）现在正在探索这种基因改造是否可以成为人类失明的治疗方法。
基因工程改造人脑？
然而，要使用光遗传学来治疗患者，还需要取得几项重大进展。通过在小鼠和其他生物体发育的早期精确地操纵它们的 DNA，我们可以将一种新的蛋白质插入到它们身体的特定细胞中。相比之下，在人类中，使细胞对光敏感将需要在完全形成的个体中插入一个新基因，而能够完成这一壮举的基因治疗技术无法可靠地将该基因的表达限制在特定的细胞类型。这种疗法——包括新的外源蛋白质——也必须被证明是长期的安全的。此外，我们需要开发可植入的光学设备，这些设备可以长时间照射神经元。
与此同时，也许更重要的是，光遗传学工具将帮助我们大大改进我们的大脑地图，这将为修复大脑的策略指明方向。为了在这项工作中取得最大进展，我们需要发明新的记录神经活动的方法，这些方法向我们展示了扰乱一组定义的细胞如何影响大脑动力学。在这方面迈出的一步是，今年早些时候，我们与奥地利维也纳大学的物理学家和神经科学家阿里帕沙·瓦齐里及其同事合作，开发了一种经过优化的显微镜，用于在整个生物体中以 3D 方式对神经活动进行成像。
奥巴马政府于 2013 年启动的 BRAIN 计划旨在刺激开发揭示大脑工作原理的技术。光遗传学的发现强调了在不太可能的地方寻找这些工具的重要性，从沙漠盐湖到高山池塘。半个世纪前，对微生物蛋白质的好奇心开始了非凡的故事，这些蛋白质没有明显的实际用途，但现在却导致了对思想和情感等基本大脑过程的揭示，并发现了更安全、更有效的脑部疾病治疗方法。