神经科学的一项主要目标，是能够以非侵入性方式开启和关闭脑细胞。这或许能帮助患有各种疾病的患者，病症从阿尔茨海默病到创伤后应激障碍。
这是光遗传学领域背后的主要推动力之一。光遗传学是一种利用光来控制活体动物脑细胞活动的生物技术。
光遗传学最近受到了一些媒体关注，原因是耶鲁大学的一项研究显示，研究人员成功激发了老鼠的“杀戮本能”，使它们像扑向食物那样攻击无生命的物体。
神经科学家、博士生Dheeraj Roy借助游乐场的比喻，帮助我们理解其原理。如果把细胞比作游乐场，那么蛋白质就是游乐场的入口闸门——它们控制着什么能进入、什么能出去。这些闸门蛋白可以受到各种因素的刺激，比如化学物质或光。
寻找对光作出反应的基因
光遗传学领域可以追溯到20世纪90年代初。当时，德国生物学家Peter Hegemann正在研究藻类衣藻 （Chlamydomonas reinhardtii），他发现，这种藻类暴露在光下时会摆动“尾巴”并向前移动。也就是说，蛋白质闸门打开了，让藻类因光照而执行某种功能。
到20世纪90年代末，科学家开始意识到这项发现可能有重要用途，于是开启了长达十年的研究，试图找到对光作出反应的基因。
几年过去，经过许多项研究后，2005年发表的一篇里程碑式论文显示，研究人员在一种名为ChR2的特定单细胞藻类中发现了这种蛋白质，它只对蓝色波长的光作出反应。我们所见的白光由各种不同光谱组成，其中包括蓝光。
去除这种蛋白质后，藻类在阳光下便不再移动。然而，将同一种蛋白质植入培养皿中的小鼠脑细胞后，通道打开了，神经递质也开始在蓝光脉冲的作用下传递。
研究人员由此知道，只要拥有这种特殊蛋白质，就能用光使动物细胞极化，于是开始开展将ChR2植入失明小鼠视网膜、海马神经元、活鸡胚胎的脊柱、小鼠脑切片以及寄生蠕虫的研究。
Roy说，在这一突破性发现之前，神经科学领域没有人能找到有效控制神经元的方法——至少无法在合适的时间尺度上做到这一点。
“大多数方法会使用某种化学物质或药物，但通常在把它注入你想研究的大脑区域后，效果要么需要数小时才会出现，要么持续太久，让人无法得出非常明确的结论，”他说。
十多年后，科学取得了进一步进展，研究人员如今甚至能够控制比细胞更精细的对象，例如DNA分子。Roy说：“人们梦想有一天能在患者身上使用它。”
光遗传学与记忆
目前，大多数光遗传学研究都在老鼠等动物身上进行。通常，如果你在动物进入一个箱子时电击它的脚，让它害怕这个箱子，它至少会记住这件事一年，并不惜一切代价避免进入那个箱子。另一方面，患有健忘症的老鼠很快就会忘记自己在可怕的箱子里遭遇了什么，最早一个月后就开始表现得仿佛什么坏事都没发生过。
Roy说：“这些创伤性记忆很重要，值得记住……这就是我们大多数人能表现得如此好的原因。所以我想知道，我们在这里看到的究竟是什么，因为记忆丧失的很多观点都意味着我们确实丢失了这些记忆信息。”
然而，Roy说，这种理论一直更像是一个“不错的猜测”，而他的研究旨在探究记忆是否真的能够恢复。
小鼠海马体中约有100个神经元负责这种记忆；海马体是大脑中负责情绪和记忆的部分。因此，Roy的团队试图用蓝光脉冲人工激活这些细胞。
Roy说：“我们发现了一件让我们和整个领域都很惊讶的事：如果用光遗传学人工激活这些细胞，就能让动物表现出恐惧。所以这些动物昨天还患有健忘症，而现在只要我们把它们放回去并打开灯，它们就会感到害怕。它们看起来和对照组老鼠完全一样。”
换句话说，这项研究首次表明，记忆被遗忘并不意味着它永远消失了，甚至可能仍然能够被唤回。这在某种程度上颠覆了这一领域，因为此前人们并未真正考虑过记忆仍然存在。如今，许多研究团队都希望在这一认识的基础上继续探索。
例如，一些团队正研究精神分裂症等脑部疾病，这类患者有时难以记住事情。自闭症患者往往面临相反的问题：他们记事情记得太清楚，因此难以放下创伤经历，以及每天发生的小事。
不过，重要的是要记住，这些实验都在动物模型中进行。目前尚未以这种方式在人类身上开展光遗传学实验。针对人类的光遗传学试验仅限于眼部实验，而非直接作用于大脑。
“如果我们想从动物转向人类，至少必须采用另一种版本”
Roy说：“如今的光遗传学具有相当强的侵入性，因此如果我们想从动物转向人类，至少必须采用另一种版本。我们不可能开始给每位患者的头骨钻孔，必须找到更合理的方法。”
此外，监管机构要支持光遗传学，还需要更多关于人体对这类治疗的免疫反应的证据。由Bryan Roth博士领导的北卡罗来纳大学教堂山分校Roth实验室研究团队正在开展这方面的工作。他们提出了一种新方法，Roy认为，这或许能让光遗传学研究以令人振奋的方式转向侵入性更小的方案。
Roy解释说：“他[罗斯]提出了一种名为DREADDS的工具。我喜欢它的原因是，尽管光遗传学的作用时间尺度确实与神经元彼此交流的时间尺度相当，DREADDS也能让你实现类似的效果。”
其设想是，研究人员可以控制神经元，从而仍然能够将它们开启或关闭，就像光遗传学一样。不过，他们不再通过侵入性激光束照射大脑，而是使用药物来实现这一点。
Roy说，这种药物“会找到那些带有这种独特生物受体的神经元……并将它开启或关闭”。
Roy说：“尽管它不像光遗传学那么精确，但我确实看到了它的潜力：它能实现与光遗传学非常接近的效果，而且侵入性低好几倍。”
