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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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光遗传学,操控神经细胞的新工具  

2013-06-13 06:50:41|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:王 永亭

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【图片出处:web.mit.edu

在电影《黑衣人》中,特工处理完外星人出没现场之后都会掏出一个发光棒,让围观群众“往这儿看”,然后强光一闪,围观者的短时记忆就被抹去,不再记得见过奇怪外星生物的经历。真的有这样的技术,能够用光来控制大脑吗?简短的答案是,有。但是可能没有电影里表现的那么简单。

大脑就像由许许多多个电子元件构成的一个复杂的电路,每一个神经细胞都像是一个电子元件,所以又被称为“神经元”。目前认为,大脑中大约有1000亿个神经细胞,每个神经细胞可以与其它神经细胞产生大约1000个联系,从而构成了极其复杂的神经网络。神经细胞的细胞膜上有许多种蛋白质,有的蛋白质可以控制钠、钾等离子在细胞内外的浓度,被称为“离子通道”;还有的可以接受其它神经细胞释放的神经递质信号,被称为“神经递质受体”。它们调控了神经细胞的兴奋或抑制,就像电路的开关。

虽然神经科学在过去的二三十年中取得了非常快速的发展,但是,离我们完全地了解大脑的工作原理还有很远。这其中的原因之一是我们很难把大脑中不同种类的神经细胞区分开来,实时地在活体动物中研究它们在大脑行使功能时的作用。近几年,一种新的技术“光遗传学”为研究大脑中特定细胞的功能提供了新的工具。

通过对神经细胞的“修饰”,科学家们已经可以自由地控制这些神经细胞的“开”或者“关”。由于用来修饰神经细胞的蛋白质是一种光感蛋白,所以这项新的技术被称为“光遗传学”。光遗传学通过把一个能够感受光刺激的离子通道蛋白的基因转入神经细胞,使神经细胞在它的细胞膜上表达这种蛋白,然后用光来控制这种蛋白的开放或关闭,从而控制神经细胞的兴奋或者抑制。目前被最广泛使用的感光离子通道蛋白基因是从单细胞藻类中分离出来的,这种蛋白在特定波长的光激发下会打开它的通道,允许钠、钾、氢等离子通过,并可以产生动作电位,使神经细胞兴奋。此外,一些其它的光感通道蛋白以及经过蛋白质工程改造的光感蛋白也开始被应用起来,这不仅使我们能够控制神经细胞兴奋,也可以使已经兴奋的神经细胞沉默,并且可以用不同波长的光来调控不同种类的神经细胞。

不同的神经细胞具有不同的功能,这种“特异性”是通过不同的蛋白质来实现的。每一种蛋白质都是人体按照基因组DNA上的遗传信息“表达”出来的。实际上,每种神经细胞中都含有完整的基因组DNA,那么人体是如何控制表达出某个蛋白,而不表达出另一个蛋白呢?原来,DNA序列中还有一些片段叫做“启动子”,由它们来调节一个基因是不是要表达。利用这个原理,可以把感光蛋白的基因“插入”到特定的启动子后面。这样,光感蛋白就会按照我们的要求在特定的细胞中表达。我们要研究哪一种类型的神经细胞在动物特定行为中的作用,就只在那种细胞中表达光感蛋白,然后用光来控制它的开关。

特异性表达的能力给了光遗传学技术空间上的准确性。为什么空间准确性这么重要呢?以下丘脑为例,这个杏仁大小的结构由多种神经细胞构成,参与诸如睡眠与情绪调节等多种复杂的功能。如果使用药物或者电刺激下丘脑区域,可能对下丘脑的所有功能同时产生影响,从而难以搞清到底是哪种神经细胞受到了影响。而利用光遗传学技术,就可以只标记一种神经细胞类型,从而有可能实现对某一特定功能的调节。此外,药物需要一定的时间来发挥作用,而光感蛋白对光刺激的反应可以在毫秒级别实现,而在停止光刺激之后离子通道又能快速关闭,从而使时间上的高分辨率也成为可能。

那么,这项技术有什么用呢?首先,如前面提到的,通过控制单一种类神经细胞在整体动物中的活动,我们可以了解这一类神经细胞的特别功能,并且通过监测它周围细胞的活动,来了解神经回路的工作机制。对脑中各类神经元的具体工作机制的了解将使我们可以回答很多以前不能够回答的问题,尤其是了解抑郁症、孤独症、成瘾、帕金森病等疾病的机制。目前,对活体动物的大脑进行光刺激还依赖于光纤的植入,多数的研究还处于实验室阶段。但是,可以预见这一技术将有很广的应用前景。

QQ20130605-1

图片出处:http://lumencor.com/

光遗传学技术可以应用于生物和医学的多个领域。 首先在基础医学领域,它给精神疾病的研究提供了新的工具。例如在成瘾的研究方面,已知脑中存在激励机制,促使我们产生喜欢某种食物或某件事物的情感,多数时候跟脑中的多巴胺能神经元有关。多巴胺是一种大脑分泌的神经递质,可以使人感到开心或兴奋,也与肌肉控制有关。吸烟和吸毒都可以增加多巴胺的分泌,使成瘾者产生欣快的感觉。利用光遗传学技术,科学家们把光感蛋白表达在小鼠的多巴胺能神经元上,然后在小鼠执行某项任务(比如走到笼子的一端的平台上)时给予光刺激使多巴胺能神经元兴奋,从而使小鼠产生愉悦感。实验表明经过训练后的小鼠会一次次地去主动完成任务从而获得愉悦感的奖励。 有了这一技术,可以实时地研究多巴胺能神经元的兴奋或抑制对动物行为的影响,同时也可以检测各种干预手段的效果。这些研究对于我们理解成瘾的机制以及干预有很大的帮助。

另外一种精神疾病叫做创伤后心理压力紧张综合症(PTSD),是指人在遭遇重大压力后产生的心理状态失调 ,通常表现为极度焦虑和紧张。为了研究这一疾病,科学家们已经建立了成熟的PTSD动物模型。在小鼠模型中,实验人员在一个声音提示之后在小鼠所在的笼子底部给予短暂的电刺激,使小鼠产生惊吓,重复数次之后,小鼠开始害怕提示音,每次一听到提示音就僵住不动。通过用光感蛋白对不同类型神经元进行标记,然后再用光刺激来激活这些神经元,科学家们发现位于大脑前额叶的锥体神经元与这种恐惧的形成有关。如果在实验中激活前额叶锥体神经元,几次训练之后小鼠在听到提示音后不再僵住不动,而是继续正常活动,提示这种刺激有可能帮助小鼠克服焦虑。目前,光遗传学技术还被应用到很多项与抑郁和焦虑有关的科学研究当中,这些研究有可能最终揭示不同类型心理疾病的不同机制。

眼睛被认为是大脑的延伸,视网膜直接接受光信号传递给视觉神经元。因此,光遗传学在视网膜相关疾病方面也有很好的应用前景。例如,视网膜色素变性病是一种遗传病,患者随年龄增长视野变窄并逐渐失明,这种病是由于视网膜上感光细胞的退化导致的。由于感光细胞的退化和死亡,光信号不能够被传递到视觉神经元。那么,可不可以跳过感光细胞,直接在视觉神经元上表达光感蛋白来恢复视力呢?美国南加州大学和麻省理工学院的科学家们通过在视网膜色素变性而导致失明的小鼠模型的视网膜神经节细胞上直接表达光感蛋白的方法, 成功使失明的小鼠恢复了感光的能力。他们把小鼠放在一个装有水的八角形迷宫里,迷宫的一个方向上有一个平台,平台后有灯光,如果小鼠能够看到光,就会游向平台然后爬上去休息。他们公布的录像中显示,失明后的小鼠没有感光能力,只能随机地在迷宫中游泳,而经过感光蛋白治疗的小鼠能够朝着光源方向游泳。

能够用植入光纤的方法用光刺激来控制神经元活动无疑是神经科学研究技术上的一大进步。另一方面,能够在光刺激的同时记录神经元的电活动是了解神经回路工作机制的另一重要技术。现在,利用植入电极芯片科学家们可以同时记录多个神经元的电活动。通过对这些记录进行解码和编码,然后与机械臂等装置联合起来,有可能使瘫痪的病人重新获得一些执行能力。前不久,利用这种脑机接口的方法,布朗大学的科学家们成功地让瘫痪了15年的一名病人通过自己的思想控制机械手臂给自己拿了一杯咖啡。有了光遗传学的时间和空间的精准性,将大大加快我们理解神经网络的速度,更快更好地解码和编码各种神经活动。如果把神经元的激活记做1,把神经元的抑制记做0,那么有可能可以把与某种行为有关的神经电活动记录成为一系列的二进制编码。这是否意味着以后我们有可能对记忆进行编码,甚至下载或上传记忆呢?简短的答案是:是。

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