装个光控开关,人类大脑的光遗传学密码已被破解?

2016-02-29 14:06:21 来源:新浪科技
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大家好!我是大脑的主人神经元君,今天我要给大家介绍下如何控制大脑。

大脑作为人体的司令部,控制着我们的一言一行。如果我们能够控制人的大脑,我们就可以改变人的思维,控制人的行为了。看似不可实现的想法,科学家们早已经迈出了第一步。他们不需要咒语,不需要魔杖,只需要通过一束光,就可以让你的思维发生变化。这可不是什么天方夜谭的魔术哦,这项高大上的新兴技术叫做光遗传学(Optogenetics)!
 

神经元君和他的实验室

光遗传学就是用特定的光作为控制信号,用遗传学的方法在大脑中安装一个光控的开关。当光一打开,大脑中的开关就打开了,大脑的某项功能就开始运作。这个开关可以安装在大脑的不同的部位,负责不同的功能。就像我们家里的遥控器,我们可以用红外光控制电视的打开,也可以用它控制空调的开关。

这种光控开关其实是一种光敏感通道蛋白(Channelrhodopsin-2,简称ChR2)。这种蛋白质可以“看到”蓝光,当这些蛋白质“看到”蓝光时,形状就发生变化,变成一个可以让离子通过的通道。在我们神经元的周围有很多带正电的离子,当蓝光照射时,这些阳离子就会通过光敏感蛋白通道流进细胞的身体内。这些离子就像兴奋剂一样,迅速地让神经元兴奋起来。这样,神经元们就可以像灯泡一样被打开或者关闭,这就相当于给神经系统装上的光控开关。
 

给大脑装上光控开关假想图

这样,光就成了神经元们的指挥棒了。通过蓝光激活光感受蛋白并使神经元兴奋,进而控制大脑。这就是光遗传学的原理。

这么巧妙的想法是谁发明的呢?

当然是我们的大自然了。

其实在我们神经元家族中,有位兄弟可以看到光,而且可以将光信号转换成电信号,将信息传递到大脑。它就是眼睛里的光感受器细胞,在这位仁兄身体中有一种能够感光的蛋白质,叫做视紫红质(Rhodopsin)。正是因为这个可以感光的开关,感受器细胞就可以受光的控制。

下面两幅图分别展示的是视网膜中的光感受器细胞及其特有的视紫红质。是不是很炫酷的样子!
 

光感受器细胞和视紫红质

而在大脑中的神经元们,并没有视紫红质,所以它们看不见光,也不会受到光的控制。几百年来,科学家们苦苦寻找控制神经元的方法,虽然他们可以通过电流刺激神经元,或者通过药物杀死神经元来控制它们的活动,但是那些方法都太恐怖了。

直到有一天,一位年轻的美国小伙,将眼睛看东西的原理应用到了大脑中的神经元中。他将光敏感的蛋白安装到大脑的神经元,这就相当于给大脑中的神经元装上了眼睛。从此以后,大脑中的神经元就看到了更加美丽多彩的世界,脑科学家们也进入了另外一个研究的新时代。

下图就是那位天才科学家,来自美国斯坦福大学的Karl Deisseroth教授。据说,他现在又在研究一项黑科技,目的是将大脑变透明,以方便科学家们更好地观察大脑。
 

Karl Deisseroth教授发明了光遗传学技术

他到底是怎么做的呢?那就让我带你们走进实验室,近距离地观察下这项高精尖技术吧。

大家看,这家伙就是我们的科研明星小鼠,别看它萌萌哒,控制好它可不是件容易的事情。一般来说,用光遗传学方法控制小鼠包括四个步骤:

首先,我们需要通过遗传学的方法将光敏感通道蛋白表达在大脑的神经元里。我们可以通过利用已经表达有光遗传通道蛋白的转基因小鼠,当然也可以通过病毒注射的方法将这种蛋白表达在神经元上。

下图你看到的是一只小鼠在做美梦的时候,被转入了光敏感通道蛋白。
 

光遗传学基本操作步骤一

 

 
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