MIT用光操控单个神经元距离解析大脑还有多远

将CoChR蛋白注入神经元细胞可对光线作出强烈反应这项研究已获国防高级研究计划局资助11月13日，MIT科学院教授Edward Boyden与笛卡尔大学合作，成功用光控制了单个大脑神经元，这是目前首次实现对单个神经元的控制。相关研究发表在《自然》杂志子刊《神经科学》。这项技术属于光遗传学的一种。毫不夸张的说，光遗传学给神经科学带来了一场革命，因为它解释了诸多神经疾病原理，而且还能治疗这些疾病。斯坦福大学曾经有一项实验，他们用光刺激小鼠大脑，结果让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来。此外，哥伦比亚大学利用光遗传技术恢复了患阿茨海默症小鼠的记忆。下图就是光纤植入小白鼠脑中。实验过程非常复杂，生物学家会先给小鼠注射一种基因，这种基因能表达出对光有敏感反应的蛋白。当然这种基因也经历了好几次迭代，从最初使用能表达ChR2蛋白的基因，到这次MIT使用的，能表达CoChR蛋白的基因。待这种基因靶向进入小鼠脑部的神经元，并开始表达产生目标蛋白，我们即可利用光来观察和控制神经活动。由于这种技术是非侵入性的，而且能够获得神经元的活动，例如突触的释放、钙离子浓度、膜电压等，对于我们了解大脑的学习记忆机制、成瘾性研究、运动障碍、睡眠障碍、帕金森症等领域都有广泛的应用。有趣的是，这门新学科还发现脑神经元和脊髓神经元会产生γ波，用于调控脑部的功能。这些γ波与大型神经元的活动同步，并且以每秒20-80周期的频率发射。这种震荡波有什么作用？它们被什么控制？目前不得而知。不过话又说回来，这门新兴学科也面临一些技术难题，其中就有无法控制单一的神经元。此前用一束光照射神经元，都会影响一整个片区，然而两个相邻的神经元都可能会具备不同的神经编码，做完全不同的事。而MIT首次实现了对单个神经元的控制。这其中就用到上面提到的CoChR蛋白，这种蛋白是Boyden教授在2014年发现的，能够对光产生强烈反应的蛋白，比之前使用的ChR2蛋白强大约10倍。他们再将CoChR融合到一种小蛋白质上，注入神经元细胞内，目的是远离树突和轴突。我们知道神经元之前是通过突触交织在一起的，这样一来即可避免对其他神经元产生影响。Boyden教授再将这种方法与之前开发的光刺激技术结合，再搭配全息光成形显微镜，即可聚集激光，以照射大脑中的特定的某一个细胞。此外，还可精确控制激光照射时间。目前这项研究已经获得了美国国防高级研究计划局、人类前沿科学计划等组织的资助。研究人员下一步就是利用该技术探究神经元突变造成的疾病，不过这些技术目前还只在小白鼠身上做了实验，我们也希望能够早日成功用于人类，帮助相关患者康复。

MIT School of Science

麻省理工学院科学学院

麻省理工学院科学学院于1932年在美国成立，是一所自然科学研究机构，创始母机构为麻省理工学院。现任院长为Michael Sipser。