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“我要睡覺(jué)了，麻煩幫我關(guān)下燈?！?/p>

“啪”，燈滅了，簡(jiǎn)單快速又直接。

作為地球上情感最豐富最復(fù)雜的生物，又何嘗不曾羨慕這樣一種簡(jiǎn)單：說(shuō)起就起的床，說(shuō)做就做的事，說(shuō)停就停的悲傷，說(shuō)放就放的愛(ài)……

想開(kāi)心就開(kāi)心，想難過(guò)就難過(guò)。一切就像按下一個(gè)開(kāi)關(guān)那樣簡(jiǎn)單，沒(méi)有猶豫，沒(méi)有拖延。

直到有一天，一群不被看好的科學(xué)家在一根神經(jīng)元上裝上了“開(kāi)關(guān)”，由此，開(kāi)啟了人類(lèi)精準(zhǔn)操控大腦的新紀(jì)元。

用光來(lái)控制機(jī)體！就是光遺傳學(xué)！（實(shí)在是太cool了）

01.”Brainbow”---點(diǎn)亮大腦的“彩虹”

二十世紀(jì)六十年代的夏天，鱈魚(yú)角有個(gè)伍茲霍爾海洋生物站，這里聚集著一批心懷夢(mèng)想的年輕科學(xué)家。在那個(gè)黃金年代里，他們白天做研究，夜晚把酒言歡，高談?wù)撻煛?/p>

誰(shuí)剛剛有了新的進(jìn)展，就會(huì)成為伍茲霍爾一時(shí)的“大明星”。有多火呢？火到撒個(gè)尿旁邊的人都會(huì)突然向你發(fā)問(wèn)。

大西洋的海風(fēng)溫暖，氣候溫和。伍茲霍爾的夜里，如同星辰墜入深海，成千上萬(wàn)的水母發(fā)出幽幽綠光，夢(mèng)幻般的點(diǎn)亮這里的大海。

海風(fēng)，好酒，想象力與科研成果迸發(fā)式的出現(xiàn)的黃金時(shí)代，歡聲笑語(yǔ)，意氣風(fēng)發(fā)。

這群人中有個(gè)叫下村修（Osamu shimomura）的日本科學(xué)家，他成天癡迷的望著伍茲霍爾發(fā)光的海。在月光下，海面漣漪，他開(kāi)始捕撈海洋里的“星辰”。

年復(fù)一年。某個(gè)夏末，伍茲霍爾的學(xué)術(shù)報(bào)告廳里，所有的燈都已經(jīng)關(guān)上，所有的呼吸都已經(jīng)屏住，下村修從口袋中掏出試管。

試管里閃爍著幽幽熒光，就像窗外的大海一樣。下村修成功純化了水母的綠色熒光蛋白（熒光蛋白：顧名思義，能夠發(fā)出熒光的蛋白）把熒光蛋白的基因提出來(lái)后植入腦細(xì)胞，就可以讓腦細(xì)胞表達(dá)出熒光蛋白。換句話(huà)說(shuō)，腦細(xì)胞從此有了“發(fā)光”的能力。

不同的熒光蛋白，讓腦細(xì)胞有了不同的色彩。這些多彩的熒光點(diǎn)亮了不同類(lèi)型的神經(jīng)元（也就是腦細(xì)胞），看起來(lái)就像大腦中的彩虹，Brainbow。

從此，每個(gè)腦細(xì)胞不僅能看的清清楚楚（因?yàn)楸稽c(diǎn)亮了），而且還能根據(jù)植入蛋白的不同來(lái)區(qū)分不同的類(lèi)型。我們終于可以更加清晰的區(qū)分清楚大腦中上百億個(gè)細(xì)胞。

02.用光來(lái)觀察腦細(xì)胞活動(dòng)

在上一篇大腦半球特異化的文章里，我們知道大腦的不同區(qū)域控制了身體不同的活動(dòng)。也就是說(shuō)不同的腦細(xì)胞控制著不同的活動(dòng)，不同的行為。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，控制你大笑和控制你生氣的腦細(xì)胞——肯定不是同一群腦細(xì)胞。

怎樣把行為和細(xì)胞聯(lián)系到一起呢？

于是在“腦虹”的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們想：可不可以用光來(lái)表示不同神經(jīng)元活動(dòng)的情況呢？

簡(jiǎn)單粗暴的來(lái)說(shuō)，就像一個(gè)信號(hào)燈一樣，如果出現(xiàn)了某種活動(dòng)，燈就可以亮，沒(méi)有活動(dòng)，燈就不亮。

還真可以！

我們已經(jīng)知道，神經(jīng)元的活動(dòng)一定伴隨著電信號(hào)的“產(chǎn)生“。也就是說(shuō)，如果一個(gè)神經(jīng)元被激活，它就一定會(huì)”放電“。（高中生物預(yù)警）

神經(jīng)細(xì)胞的膜電位變化時(shí)，細(xì)胞膜上鑲嵌的蛋白質(zhì)分子就會(huì)改變形狀。這種隨著膜電位改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白，我們稱(chēng)之為電壓敏感蛋白。如果用基因工程的辦法，將電壓敏感蛋白與熒光蛋白連接起來(lái)，當(dāng)細(xì)胞膜上的電位變化時(shí)，熒光蛋白也會(huì)隨之改變結(jié)構(gòu)，從而發(fā)光的狀態(tài)會(huì)有所改變。

還有一種方法同樣也可以用光衡量神經(jīng)元的活動(dòng)：除了電信號(hào)之外，離子的活動(dòng)也和神經(jīng)元關(guān)系很大。

當(dāng)神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)，鈣離子就會(huì)流進(jìn)細(xì)胞內(nèi)。如果在細(xì)胞內(nèi)植入鈣敏感熒光蛋白（一種只有遇到鈣離子才能發(fā)出明亮熒光的蛋白），當(dāng)神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)，鈣離子流進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，就能夠與鈣敏感熒光蛋白結(jié)合，從而使活動(dòng)的神經(jīng)元發(fā)出明亮熒光。（如圖所示，不同的行為可以觀察到不同的神經(jīng)元被點(diǎn)亮）

就這樣，我們終于把光和腦細(xì)胞的活動(dòng)聯(lián)系到了一起。

03.用光來(lái)操控細(xì)胞

腦虹與光成像的技術(shù)讓我們清楚的看見(jiàn)了來(lái)自大腦內(nèi)部，各式各樣的細(xì)胞交織在一起的絕妙畫(huà)面。也讓我們愈發(fā)的貪婪——有沒(méi)有什么辦法能夠操控神經(jīng)細(xì)胞呢。

讓它活動(dòng)它就活動(dòng)，讓它安靜它就安靜那種？

還真真有！

這個(gè)問(wèn)題的答案遠(yuǎn)在天邊，近在咫尺——沒(méi)錯(cuò)，就藏在我們的眼睛里。

眾所周知，眼睛是個(gè)感光器官——可以感受光的強(qiáng)弱，光的顏色。為什么眼睛可以做到這一點(diǎn)是因?yàn)槲覀兊囊暰W(wǎng)膜細(xì)胞膜上存在對(duì)光敏感的蛋白。

換句話(huà)說(shuō)，光可以通過(guò)控制感光蛋白進(jìn)而控制我們的視網(wǎng)膜。再換句話(huà)說(shuō)，光，是我們視網(wǎng)膜細(xì)胞活動(dòng)的開(kāi)關(guān)。

時(shí)間進(jìn)入21世紀(jì)。

2002年，杰羅·麥森伯克首先嘗試了這個(gè)設(shè)想。他把來(lái)自非脊椎動(dòng)物的感光蛋白成功表達(dá)在了大鼠神經(jīng)元上。

2006年，他進(jìn)一步把感光蛋白表達(dá)在果蠅的肌肉細(xì)胞上，再把果蠅的頭粗暴的剪掉，這樣果蠅扇翅膀的運(yùn)動(dòng)就不能被自己的大腦控制。當(dāng)他把光照射在無(wú)頭蠅身上時(shí)，奇怪的事情出現(xiàn)了!失去頭的果蠅竟然扇動(dòng)了翅膀！用光來(lái)控制細(xì)胞的設(shè)想，成功了！

06年以后，屬于光遺傳學(xué)的時(shí)代真正來(lái)臨了。人們?cè)诙喾N模式動(dòng)物身上，如果蠅，斑馬魚(yú)，小鼠……都使用光遺傳學(xué)做了很多有趣的事。

以小鼠為例（圖為植入光纖的鼠，來(lái)源：JOHN B CARNETT）

人們通過(guò)顯微注射＋微創(chuàng)光纖植入的技術(shù)，將光纖定位，精確的放置在想要控制的神經(jīng)元周?chē)瑥亩霉鈦?lái)控制小鼠的行為。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們找到了神經(jīng)元的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)——感光蛋白＋光。只要把感光蛋白植入想要控制的神經(jīng)元，只要用電腦控制光源的開(kāi)閉，頻率，我們就可以輕松的操控這只小老鼠。

舉一個(gè)筆者所在的實(shí)驗(yàn)室做過(guò)的光遺傳學(xué)例子：

我們找到了和“母愛(ài)“這種行為有關(guān)的神經(jīng)元。正常情況下，這種神經(jīng)元會(huì)讓小鼠對(duì)幼崽做出類(lèi)似舔舐的愛(ài)護(hù)行為。當(dāng)利用光將“母愛(ài)”神經(jīng)元關(guān)閉時(shí)，小鼠表現(xiàn)為暴躁的撕咬，啃噬幼崽。（這畫(huà)面太血腥） 而這兩種行為的改變，只發(fā)生在我們打開(kāi)光源的瞬間。

（拍攝于北京CIBR，LiYing Lab，實(shí)驗(yàn)幼崽）

（光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，拍攝于北京CIBR, LiYing Lab）

04.光遺傳學(xué)可以做什么？

什么，都到這里了。你還沒(méi)有明白光遺傳學(xué)有多么令人激動(dòng)嗎？（拍桌）

光遺傳學(xué)的出現(xiàn)，代表著人類(lèi)可以真正意義操控大腦了。

試想一下，當(dāng)你覺(jué)著某段記憶痛苦卻難以忘卻時(shí)，有個(gè)辦法可以幫助你把播放這段記憶的神經(jīng)“關(guān)機(jī)”。

感到無(wú)法自主的調(diào)節(jié)情緒，長(zhǎng)時(shí)間低落的時(shí)候，有個(gè)辦法可以操控你的大腦，幫你打開(kāi)快樂(lè)的“開(kāi)關(guān)”。

由于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)罷工而癱瘓的人，感覺(jué)神經(jīng)罷工而失明的人……有個(gè)辦法可以幫助他們重新獲得健康的生活。

更令人激動(dòng)的是，也許我們終于有辦法知道，記憶、情感、意識(shí)，它們究竟是什么。

而人類(lèi)是否有機(jī)會(huì)將“意識(shí)”與“載體”分離，實(shí)現(xiàn)真正意義上的機(jī)械交互？這是神經(jīng)科學(xué)在做的，也是這個(gè)時(shí)代想要知道的答案。

正如饒毅教授所說(shuō)：Anything is possible!

（光遺傳學(xué)發(fā)展史，來(lái)源：饒毅公眾號(hào)）

截至目前，臨床醫(yī)療研究者嘗試采用非侵入性的光遺傳學(xué)手段治療各種疾病，例如嗜睡癥，抑郁癥，恐懼，焦慮，疼痛，帕金森和失明等。但是將感光蛋白植入人體仍需要技術(shù)上的穩(wěn)定以及倫理上的定性。

現(xiàn)階段看來(lái)，只有帕金森和失明是臨床可以攻堅(jiān)的區(qū)域。而阿茲海默也被證明利用光遺傳學(xué)可以恢復(fù)部分記憶。2015年，美國(guó)FDA已經(jīng)批準(zhǔn)了光遺傳學(xué)治療失明的臨床實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

1.光遺傳學(xué)，一項(xiàng)注定要獲諾貝爾獎(jiǎng)的項(xiàng)目https://zhuanlan.zhihu.com/p/20860712?utm_source=wechat_session&utm_medium=social&utm_oi=661184557068587008

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5.Cognitive neuroscience 3rd  Michael S.Gazzaniga

6. 神經(jīng)科學(xué)-探索腦(第二版)

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

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