一种称为光遗传学的技术在过去十年中改变了神经科学，它允许研究人员在实验动物中开启和关闭特定的神经元。通过拨动这些神经开关，它为诸如抑郁症和强迫症等疾病涉及哪些脑通路提供了线索。“光遗传学不仅仅是昙花一现，”圣路易斯华盛顿大学的神经科学家 Robert Gereau 说。“它允许我们进行以前无法进行的实验。这是一项真正的游戏规则改变者，就像科学中的其他少数技术一样。”
自从关于光遗传学的第一批论文在 21 世纪初中期发表以来，一些研究人员一直在思考有一天将光遗传学应用于患者，想象例如抑郁症的关闭开关的可能性。
然而，这项技术将要求患者接受一系列高度侵入性的医疗程序：对神经元进行基因工程改造，以插入分子开关来激活或关闭细胞，以及将光纤穿入大脑以拨动这些开关。在一系列技术进步的推动下，光遗传学先驱卡尔·戴瑟罗思 (Karl Deisseroth) 与其他斯坦福大学研究人员一起成立了一家公司，旨在未来几年内在患者身上进行光遗传学试验——这是现在正在考虑该技术临床试验的几家初创公司之一。
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Circuit Therapeutics 成立于 2010 年，正在推进治疗神经系统疾病的具体计划。（它还与制药公司合作，帮助他们在动物研究中使用光遗传学来开发人类疾病的新型药物靶点。）Circuit 希望开始光遗传学治疗慢性疼痛的临床试验，这种疗法的侵入性将低于需要植入大脑深处的应用。受慢性疼痛影响的神经元相对容易接近，因为它们位于脊髓内和脊髓外，比大脑更容易成为目标。即使是皮肤中的神经末梢也可能成为目标，使其更容易触及。“在动物模型中，它效果非常好，”斯坦福大学的神经科学家斯科特·德尔普 (Scott Delp) 说，他与戴瑟罗思合作。该公司还在努力开发帕金森氏症和其他神经系统疾病的治疗方法。
人们对患者的光遗传学和密切相关的疗法的兴趣正在增长。密歇根州的一家公司 RetroSense Therapeutics 报告称，计划很快开始对一种导致失明的遗传疾病进行光遗传学人体试验。这项新技术依赖于视蛋白，视蛋白是一种离子通道，由传导神经元电信号的蛋白质组成。神经元包含数百种不同类型的离子通道，但视蛋白在光照下打开。一些视蛋白存在于人类视网膜中，但光遗传学中使用的视蛋白来源于藻类和其他生物。光遗传学中使用的第一批视蛋白称为通道视紫红质，当被蓝光闪烁激活时，它们会打开以允许带正电荷的离子进入细胞，从而导致神经元释放电脉冲。其他视蛋白蛋白传递抑制性的带负电荷的离子以响应光，从而也可以沉默神经元。研究人员通过基因工程广泛扩展了可用视蛋白的库，例如制造在短 burst 光照下保持打开状态的视蛋白
在光遗传学疗法成为现实之前，主要挑战是将视蛋白基因导入成人人类神经元，以便在治疗中成为靶标。在啮齿动物中，研究人员采用了两种主要策略：转基因，其中培育小鼠以在特定神经元中产生视蛋白——这种选择不适合在人类中使用。另一种方法是使用病毒将基因植入神经元。病毒目前正被用于人类的其他类型的基因疗法，但挑战依然存在。病毒必须穿透成熟的神经元并传递其基因载荷，而不会引发免疫反应。然后，神经元必须在正确的位置表达视蛋白，并且必须持续制造蛋白质——理想情况下是永远。
德尔普和其他人在病毒传递后通过激活视蛋白来关闭产生疼痛的回路，从而在啮齿动物中实现了疼痛缓解。“在将包含抑制性视蛋白基因的病毒单次注射到周围神经两周后，我们看到视蛋白在神经元中得到了强烈的表达，一直延伸到皮肤。我们所要做的就是照射皮肤，我们就可以抑制疼痛的触觉和热敏感性——这是慢性疼痛患者的主要症状问题，”德尔普说。这项技术是否真的对人有效还有待观察。
第二个障碍是将光传递到含有视蛋白的神经元，以开启或关闭所需的脑回路。在人类中，向大脑传递光需要进行大型手术，但沉默传递疼痛的神经元的侵入性要小得多——甚至可能像贴上发光贴片一样简单。最近，Gereau 与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 John Rogers 合作，开发了植入在啮齿动物周围神经或脊髓顶部的设备，这些设备是微型化的、完全可植入的，并且由射频能量无线供电。斯坦福大学的电气工程师 Ada Poon 与 Delp 和 Deisseroth 合作，最近开发了一种类似的无线可植入设备，用于啮齿动物。
虽然大脑外部的神经元更容易接近，但它们也难以用光激活，因为——就像人类一样——实验动物很少静止不动，而刚性的发光设备可能会损坏脆弱的神经组织。但 Gereau 的新设备是柔性和可拉伸的，因此它们可以随动物移动。研究人员确信，用于人类治疗的光遗传学现在正处于早期开发阶段。“我当然相信光遗传学具有治疗潜力，”他说。在十年内，关闭疼痛神经元可能与拨动电灯开关没有什么不同。