神经信号和光

卡尔·戴瑟罗斯(Karl deisserth)就职于加州斯坦福大学，2005年他发明了一种名为光遗传学的新技术;这是一种利用光控制神经细胞的方法。他告诉克里斯·史密斯它是如何工作的……

光遗传学的原理是用光打开离子通道。我们已经听过很多关于离子通道以及如何通过霍奇金和赫胥黎使用的电极来控制离子通道。当然，这些电极只能放在鱿鱼的轴突上，如果你想研究哺乳动物的大脑，而哺乳动物的大脑比它小一千倍，你就很难把足够的电极放进去。我们也听说过可以影响离子通道的化学物质。我们可以打开和关闭它们。太棒了。这些信息可以通过大脑传递，但它们没有毫秒级的精确度，而这是大脑中信息流的正常流通。那么，如果你可以两者兼得呢?如果，你可以高速运行，允许同时访问许多不同的神经元，甚至在哺乳动物的大脑中?所以，我们所做的是，我们发现有一些微生物可以制造完美的工具。 They do it for their own reasons. Not to help us out, but it turns out to be the perfect thing. There are small algae, small kinds of bacteria as well that make light activated ion channels and they use this to sense what going on in their environment, to respond to it appropriately, to generate energy for a whole range of different functions.

克里斯:这些是海洋微生物，它们恰好形成了一种对光敏感的化学结构。他们用它来做一件事，来规范他们的行为，你说，你可以窃取它来达到你的目的。

卡尔-是的。我们利用数百万年的进化来设计这些美丽的蛋白质。我们把它们放入哺乳动物的神经元中，我们可以把哺乳动物的神经元变成非常敏感，精确的光响应单元，而哺乳动物的神经元通常对光不太在意。

克里斯:所以，你从藻类中取出通常会形成藻类使用的通道的基因然后你可以把这个基因放入神经细胞中，让神经细胞像藻类一样对光做出反应。

卡尔:完全正确，这听起来有点牵强，事实上，很多人认为来自这些藻类或这些古老细菌的基因不太可能在哺乳动物细胞中很好地发挥作用，它们不太可能在细胞中找到正确的位置，它们不太可能有正确的支持成分来帮助它们发挥作用。在某种程度上，他们需要一些帮助，我们必须设计一些工具来帮助他们更好地工作。但最后，它现在工作得很好，我们可以在不同颜色的光脉冲上闪烁。我们可以打开和关闭不同种类的细胞，甚至在动物自由活动的时候。

克里斯:所以，你把藻类的基因放入神经细胞中，它在某种程度上是选择颜色的，所以你可以用不同的颜色来控制不同的细胞子集。

卡尔-没错。一些藻类产生对蓝光有反应的蛋白质，一些古细菌产生对琥珀光有反应的蛋白质。事实上，有很多这些都是由自然产生的我们也可以通过一些蛋白质工程来调整它们。我们可以把一种蛋白质放入一种细胞中，另一种蛋白质放入另一种细胞中，甚至开始像管弦乐队的指挥一样，如果你愿意的话，有不同的元素，不同的乐器在不同的时间或同一时间演奏。

克里斯-你如何把基因植入你想要植入的脑细胞，在你想研究的动物体内?

卡尔:嗯，在初步证明了这些工具可以在细胞中很好地工作之后，这是最困难的事情。问题变成了，你要如何让它变得有用?你如何将这些靶向到感兴趣的细胞中呢?这个问题花了几年时间才解决。这得益于一个事实，这些都是一体的蛋白质，它只是一个基因，产生了一个单一的蛋白质，完成了所有的工作，从光中获得光子，并传递离子流。所以，我们只需要放一个东西进去，我们使用了一系列的基因技巧。实际上，我们可以使用被称为启动子或增强子的DNA片段，不同的细胞做不同的工作，会打开或关闭这些控制蛋白质和细胞表达或产生的DNA片段。如果我们把这些DNA片段，启动子或增强子连接到光反应蛋白的基因上，然后我们把它放入一个区域的所有细胞中，它只会在一些细胞中被激活，这就给了我们一种非常强大的特异性。还有其他种类。例如，我们可以利用神经元非常显著的形状和形态。 If we put the gene into one region of the brain, but we deliver light into another region of the brain that may be far away, we can selectively therefore stimulate the cells that live in one region, but send a connection to the other region where we're delivering the light. That turns out to be very powerful. We call that projection targeting and that, you don't actually need to know any genetics at all. You just need to know your anatomy.

克里斯:你是如何让那些完成这些工作的光进入你的动物神经系统的正确位置的?

卡尔:是的，这是我们要解决的另一件事。事实上，很多早期的怀疑论，人们说，嗯，光不能穿透到大脑的深处，这是真的。它只会进入一毫米左右就会被99%的散射和吸收。但是我们开发了纤维光学方法来瞄准大脑深处的结构，所以现在，我们可以在活动模式中发挥作用，进入大脑中部和脑干的非常深处的结构，甚至在动物行为的时候。

克里斯-你能用这个做什么我们以前做不到的?

现在我们可以在确定的细胞中使用精确的活动模式，我给你们举一个例子。我感兴趣的是动机和奖励，是什么让人们想做事情，是什么让他们做事情感觉良好。这是在抑郁症和各种精神疾病中受损的东西。我们现在把不同的活动模式注入到一种叫做多巴胺神经元的细胞中我们确定了一些活动模式，而不是其他的活动模式会控制奖励或动机的感觉。这可能有助于我们理解这些精神疾病。