“我要睡觉了，麻烦帮我关下灯。”

“啪”，灯灭了，简单快速又直接。

作为地球上情感最丰富最复杂的生物，又何尝不曾羡慕这样一种简单：说起就起的床，说做就做的事，说停就停的悲伤，说放就放的爱……

想开心就开心，想难过就难过。一切就像按下一个开关那样简单，没有犹豫，没有拖延。

直到有一天，一群不被看好的科学家在一根神经元上装上了“开关”，由此，开启了人类精准操控大脑的新纪元。

用光来控制机体！就是光遗传学！（实在是太cool了）

01.”Brainbow”---点亮大脑的“彩虹”

二十世纪六十年代的夏天，鳕鱼角有个伍兹霍尔海洋生物站，这里聚集着一批心怀梦想的年轻科学家。在那个黄金年代里，他们白天做研究，夜晚把酒言欢，高谈论阔。

谁刚刚有了新的进展，就会成为伍兹霍尔一时的“大明星”。有多火呢？火到撒个尿旁边的人都会突然向你发问。

大西洋的海风温暖，气候温和。伍兹霍尔的夜里，如同星辰坠入深海，成千上万的水母发出幽幽绿光，梦幻般的点亮这里的大海。

海风，好酒，想象力与科研成果迸发式的出现的黄金时代，欢声笑语，意气风发。

这群人中有个叫下村修（Osamu shimomura）的日本科学家，他成天痴迷的望着伍兹霍尔发光的海。在月光下，海面涟漪，他开始捕捞海洋里的“星辰”。

年复一年。某个夏末，伍兹霍尔的学术报告厅里，所有的灯都已经关上，所有的呼吸都已经屏住，下村修从口袋中掏出试管。

试管里闪烁着幽幽荧光，就像窗外的大海一样。下村修成功纯化了水母的绿色荧光蛋白（荧光蛋白：顾名思义，能够发出荧光的蛋白）把荧光蛋白的基因提出来后植入脑细胞，就可以让脑细胞表达出荧光蛋白。换句话说，脑细胞从此有了“发光”的能力。

不同的荧光蛋白，让脑细胞有了不同的色彩。这些多彩的荧光点亮了不同类型的神经元（也就是脑细胞），看起来就像大脑中的彩虹，Brainbow。

从此，每个脑细胞不仅能看的清清楚楚（因为被点亮了），而且还能根据植入蛋白的不同来区分不同的类型。我们终于可以更加清晰的区分清楚大脑中上百亿个细胞。

02.用光来观察脑细胞活动

在上一篇大脑半球特异化的文章里，我们知道大脑的不同区域控制了身体不同的活动。也就是说不同的脑细胞控制着不同的活动，不同的行为。打个比方来说，控制你大笑和控制你生气的脑细胞——肯定不是同一群脑细胞。

怎样把行为和细胞联系到一起呢？

于是在“脑虹”的基础上，科学家们想：可不可以用光来表示不同神经元活动的情况呢？

简单粗暴的来说，就像一个信号灯一样，如果出现了某种活动，灯就可以亮，没有活动，灯就不亮。

还真可以！

我们已经知道，神经元的活动一定伴随着电信号的“产生“。也就是说，如果一个神经元被激活，它就一定会”放电“。（高中生物预警）

神经细胞的膜电位变化时，细胞膜上镶嵌的蛋白质分子就会改变形状。这种随着膜电位改变蛋白质结构的蛋白，我们称之为电压敏感蛋白。如果用基因工程的办法，将电压敏感蛋白与荧光蛋白连接起来，当细胞膜上的电位变化时，荧光蛋白也会随之改变结构，从而发光的状态会有所改变。

还有一种方法同样也可以用光衡量神经元的活动：除了电信号之外，离子的活动也和神经元关系很大。

当神经元活动时，钙离子就会流进细胞内。如果在细胞内植入钙敏感荧光蛋白（一种只有遇到钙离子才能发出明亮荧光的蛋白），当神经元活动时，钙离子流进细胞内，就能够与钙敏感荧光蛋白结合，从而使活动的神经元发出明亮荧光。（如图所示，不同的行为可以观察到不同的神经元被点亮）

就这样，我们终于把光和脑细胞的活动联系到了一起。

03.用光来操控细胞

脑虹与光成像的技术让我们清楚的看见了来自大脑内部，各式各样的细胞交织在一起的绝妙画面。也让我们愈发的贪婪——有没有什么办法能够操控神经细胞呢。

让它活动它就活动，让它安静它就安静那种？

还真真有！

这个问题的答案远在天边，近在咫尺——没错，就藏在我们的眼睛里。

众所周知，眼睛是个感光器官——可以感受光的强弱，光的颜色。为什么眼睛可以做到这一点是因为我们的视网膜细胞膜上存在对光敏感的蛋白。

换句话说，光可以通过控制感光蛋白进而控制我们的视网膜。再换句话说，光，是我们视网膜细胞活动的开关。

时间进入21世纪。

2002年，杰罗·麦森伯克首先尝试了这个设想。他把来自非脊椎动物的感光蛋白成功表达在了大鼠神经元上。

2006年，他进一步把感光蛋白表达在果蝇的肌肉细胞上，再把果蝇的头粗暴的剪掉，这样果蝇扇翅膀的运动就不能被自己的大脑控制。当他把光照射在无头蝇身上时，奇怪的事情出现了!失去头的果蝇竟然扇动了翅膀！用光来控制细胞的设想，成功了！

06年以后，属于光遗传学的时代真正来临了。人们在多种模式动物身上，如果蝇，斑马鱼，小鼠……都使用光遗传学做了很多有趣的事。

以小鼠为例（图为植入光纤的鼠，来源：JOHN B CARNETT）

人们通过显微注射＋微创光纤植入的技术，将光纤定位，精确的放置在想要控制的神经元周围，从而利用光来控制小鼠的行为。

简单来说，我们找到了神经元的开关系统——感光蛋白＋光。只要把感光蛋白植入想要控制的神经元，只要用电脑控制光源的开闭，频率，我们就可以轻松的操控这只小老鼠。

举一个笔者所在的实验室做过的光遗传学例子：

我们找到了和“母爱“这种行为有关的神经元。正常情况下，这种神经元会让小鼠对幼崽做出类似舔舐的爱护行为。当利用光将“母爱”神经元关闭时，小鼠表现为暴躁的撕咬，啃噬幼崽。（这画面太血腥） 而这两种行为的改变，只发生在我们打开光源的瞬间。

（拍摄于北京CIBR，LiYing Lab，实验幼崽）

（光遗传学实验现场，拍摄于北京CIBR, LiYing Lab）

04.光遗传学可以做什么？

什么，都到这里了。你还没有明白光遗传学有多么令人激动吗？（拍桌）

光遗传学的出现，代表着人类可以真正意义操控大脑了。

试想一下，当你觉着某段记忆痛苦却难以忘却时，有个办法可以帮助你把播放这段记忆的神经“关机”。

感到无法自主的调节情绪，长时间低落的时候，有个办法可以操控你的大脑，帮你打开快乐的“开关”。

由于运动神经罢工而瘫痪的人，感觉神经罢工而失明的人……有个办法可以帮助他们重新获得健康的生活。

更令人激动的是，也许我们终于有办法知道，记忆、情感、意识，它们究竟是什么。

而人类是否有机会将“意识”与“载体”分离，实现真正意义上的机械交互？这是神经科学在做的，也是这个时代想要知道的答案。

正如饶毅教授所说：Anything is possible!

（光遗传学发展史，来源：饶毅公众号）

截至目前，临床医疗研究者尝试采用非侵入性的光遗传学手段治疗各种疾病，例如嗜睡症，抑郁症，恐惧，焦虑，疼痛，帕金森和失明等。但是将感光蛋白植入人体仍需要技术上的稳定以及伦理上的定性。

现阶段看来，只有帕金森和失明是临床可以攻坚的区域。而阿兹海默也被证明利用光遗传学可以恢复部分记忆。2015年，美国FDA已经批准了光遗传学治疗失明的临床实验。

参考文献

1.光遗传学，一项注定要获诺贝尔奖的项目https://zhuanlan.zhihu.com/p/20860712?utm_source=wechat_session&utm_medium=social&utm_oi=661184557068587008

2.Zemelman BV, Lee GA, Ng M, et al. Selective photostimulation of genetically chARGed neurons. Neuron, 2002, 33(1): 15-22

3.Neuron: Delete memories? The future may be just that Doi: 10.1016 / j. euron. 2014.09.037

4.Cell: Optogenetics turns mice into ruthless killers Doi: 10.1016 / j.carol carroll ell. 2016.12.027

5.Cognitive neuroscience 3rd  Michael S.Gazzaniga

6. 神经科学-探索脑(第二版)

7. Psychology – Core Concepts, 7th Edition by Philip G. Zimbardo, Robert L. Johnson, Vivian McCann

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