本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
光遗传学这个新兴领域的创新性进展，可能为研究活体人脑提供新方法，并有望带来创新性的治疗用途。
自古以来，哲学家、解剖学家和科学家就一直在思考大脑的内部运作机制。探索这个黑匣子的努力始终是问题多于答案。毕竟，正如笛卡尔时代的解剖学家没有找到复杂时钟的齿轮一样，16世纪的炼金术士也没有在我们的头脑中找到真正的小矮人。
电流计和脑电图 (EEG) 为探索大脑的电活动开辟了道路，但它们主要告诉我们，我们对大脑的运作方式知之甚少。随后的研究揭示了数千种神经元错综复杂地组织和相互连接，形成了一个庞大的网络，普通成年人拥有大约 1000 亿个细胞。单个神经元根据数千个上游细胞的输出被激活，然后又促成数千个下游神经元的激活。即使后来的技术（如 fMRI 和 MEG）提供了更高的空间和时间分辨率，大脑的语言仍然是一个谜。
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然后在 2000 年代，一种名为 光遗传学 的新技术被开发出来，它使科学家能够以前所未有的方式研究神经元的行为。该技术涉及将神经元与编码视蛋白的基因拼接，视蛋白是在光照下激活的有机分子。然后可以通过光纤用闪光触发这些神经元，使其放电。当与其他神经影像技术结合使用时，该工具提供高水平的空间和时间分辨率，以及实时的行为反馈。
然而，光遗传学只能带我们走这么远。当涉及到基因改造人脑的想法时，仍然存在相当大的伦理和安全问题。因此，这项技术一直仅限于培养皿和实验室动物实验，但由于一种暂定名为“光电容”的相关方法，在人体受试者中的应用可能有一天会成为可能。
这种新程序采用了一种不同的方法来外部激活神经元，这个过程通常被称为神经调节。2011 年，芝加哥大学生物化学和分子生物学 Lillian Eichelberger Cannon 教授米哈伊尔·沙皮罗博士及其合作者，包括弗朗西斯科·贝扎尼拉，发现了通过改变神经元膜电容来激活神经元的机制。这是通过红外光脉冲产生的热量完成的。但是红外线刺激在靶向方面效果不佳，而且产生的热量容易损坏细胞。
在此基础上，伊利诺伊大学芝加哥分校眼科和视觉科学 Searls-Schenk 教授大卫·佩珀伯格博士和贝扎尼拉开始使用金纳米粒子，以便更准确地靶向体外细胞。这些纳米粒子直径仅为 20 纳米，吸收光脉冲并将其转化为非常局部的热量，从而引发所需的非常特定的神经元激活。但是这些纳米粒子比人类血细胞小 300 倍，它们并没有停留在原位，而是迅速扩散到神经元的周围环境中。为了更好地将它们结合到目标神经元上，该团队将它们与基于蝎毒素 Ts1 的合成分子结合。这些与 Ts1 耦合的纳米粒子与细胞的钠通道结合，并且可以重复刺激。使用毫秒级的脉冲光，单个神经元在半小时内产生了 3000 多个动作电位，没有功效损失或明显的损伤。
虽然这种使用被称为配体结合纳米粒子的方法是有效的，但是，它不允许激活对 Ts1 没有特异性反应的神经元。为了开发一种更通用的方法，贝扎尼拉、佩珀伯格及其团队转而将金纳米粒子与抗体结合，这些抗体与离子通道 TRPV1 和 P2X3 结合。与 Ts1 粒子类似，即使在长时间连续冲洗后，这些分子在被光触发时仍能继续激活细胞。这意味着纳米粒子可以与不同的抗体结合，以靶向不同的细胞类型，甚至是非神经元群体。
与 Joao L. Carvalho-de-Souza、Jeremy S. Treger、Bobo Dang 和 Stephen B.H. Kent 共同撰写，并发表在 2 月份的《Neuron》杂志上的这项研究，具有许多潜在的用途。我与贝扎尼拉和他的合作者进行了交谈，他们解释说，光电容具有与光遗传学相似的空间和时间分辨率，同时避免了对靶细胞进行基因改造的需要。贝扎尼拉提到的光电容另一个更有趣的区别方面是，“它很可能适用于任何可兴奋的细胞，使用合适的抗体来靶向所需的细胞类型。”
因此，光电容可以用于研究各种细胞类型和器官，而不仅仅是神经元，并且可能具有相当大的体内研究用途，以及治疗应用。例如，在黄斑变性和某些其他视网膜疾病中，光感受器已经退化，阻止它们向视网膜神经节细胞和大脑发送信号。使用光电容，可能可以绕过失效的细胞，并通过不同的机制刺激视觉通路，从而恢复视力。
“这项技术应该适用于任何需要在大脑或周围神经中刺激特定神经元的治疗方法，”贝扎尼拉告诉我。但他也指出，“在应用于人体受试者之前，还需要进行大量研究。在没有对活体动物进行真实测试的情况下，现在进行更多推测还为时过早。”
我还推测，这项技术有一天可以改进我们将机器人和神经假体与我们身体整合的方式。各种设备与我们的神经系统之间的直接连接可能成为可能，从而提供改进的感官反馈，并取代诸如 靶向肌肉神经支配 (TMR) 等控制方法。
研究团队创造了“光电容”一词，因为光诱导细胞膜电容的改变，使膜去极化，“激活钠通道并产生动作电位。” 虽然现在还处于早期阶段，但光电容是一种很可能为人类大脑的内部运作机制以及更多方面带来新曙光的技术。