思想、感情和行为都来自于复杂回路中多种脑细胞产生的电信号。研究人员在这种基本水平上尝试解释思维，但缺乏研究抑郁症、帕金森氏症等疾病病因的工具。最近，斯坦福大学等单位的研究人员发明出一种利用光对脑细胞活性进行直接控制的新技术，为研究神经回路和治疗神经系统疾病提供了一臂之力。详细内容刊登于4月5日《Nature》。
神经红绿灯
为了对神经元进行选择性控制，研究人员利用病毒将编码光敏蛋白的基因插入目的细胞。Karl Deisseroth等在2005年《Nature Neuroscience》一篇文章中报道：将来源于海藻的基因ChR2插入神经元后，神经元在蓝光照射下活性上升。本周《Nature》文章报道：来自于古细菌（archaebacterium）的另一种NpHR能够使神经元在黄光照射下活性下降。将这两种基因结合起来，使神经元如同汽车遵从交通信号灯一样遵从光波：蓝色代表“通行”（发射信号），黄色代表“停止”（不发射信号）。
文章报道，这种技术能够在活体生物中产生直接的观察效果。斯坦福小组的德国同事他们将NpHR插入线虫的运动神经元后，线虫在显微镜聚焦的黄光照射下停止游泳。某些实验中，遗传改变的线虫暴露于蓝光后，会在非前进方向上摇摆，光关闭后恢复正常行为。
与此同时，斯坦福大学研究人员在小鼠活脑组织提取物中进行实验，利用这种技术使神经元在毫米级时间内发射信号或停止发射信号（与自然条件下相同）。其它实验显示，这些光对细胞没有副作用，关闭后细胞恢复正常功能。
潜在应用价值
光神经元控制的最直接应用是，在神经回路中寻找细胞异常的原因。脑深部电刺激能够帮助帕金森氏症患者，但确切机理不明。通过选择性刺激或破坏不同脑神经，新技术能够确定对深部脑刺激有反应的神经元。这有助于发展副作用小的电治疗法。
另一潜力是模拟神经网络通信的实验。神经网络通信产生的信号模式——有时开启有时关闭，如同二进制计算机的“0”和“1”，模式中的蓝光和黄光迫使神经元释放信号。利用这种技术，研究人员有望对研究相对透彻的神经元的行为进行检测和精细调节，通过人为刺激神经元发射运动指令等信号使瘫痪人士恢复运动能力。
最终，此技术可用于开发大脑的潜在功能。文章作者、研究生Feng Zhang说：“终有一天我们会知道大脑的组装方式。不同类型的细胞是怎样互相交流以实现情绪等复杂工作的，或者说人们是怎样做出决定的？”。
部分英文原文：
Nature 446, 633-639 (5 April 2007) | doi:10.1038/nature05744; Received 23 December 2006; Accepted 14 March 2007
Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry
Feng Zhang1, Li-Ping Wang1, Martin Brauner2, Jana F. Liewald2, Kenneth Kay1, Natalie Watzke4, Phillip G. Wood4, Ernst Bamberg3,4, Georg Nagel4,5, Alexander Gottschalk2 & Karl Deisseroth1
Department of Bioengineering, Stanford University, Stanford, California 94305, USA
Institute of Biochemistry, and,
Institute of Biophysical Chemistry, Department of Biochemistry, Chemistry and Pharmacy, Johann Wolfgang Goethe-University, Frankfurt Biocenter N220, Max-von-Laue Strae 9, D-60438 Frankfurt, Germany
Max-Planck-Institute of Biophysics, Max-von-Laue-Strae 3, D-60438 Frankfurt am Main, Germany
University Wuerzburg, Botanik I, Julius-von-Sachs-Platz 2, D-97082 Wuerzburg, Germany
Correspondence to: Karl Deisseroth1 Correspondence and requests for materials should be addressed to K.D. (Email: deissero@stanford.edu).
Abstract
Our understanding of the cellular implementation of systems-level neural processes like action, thought and emotion has been limited by the availability of tools to interrogate specific classes of neural cells within intact, living brain tissue. Here we identify and develop an archaeal light-driven chloride pump (NpHR) from Natronomonas pharaonis for temporally precise optical inhibition of neural activity. NpHR allows either knockout of single action potentials, or sustained blockade of spiking. NpHR is compatible with ChR2, the previous optical excitation technology we have described, in that the two opposing probes operate at similar light powers but with well-separated action spectra. NpHR, like ChR2, functions in mammals without exogenous cofactors, and the two probes can be integrated with calcium imaging in mammalian brain tissue for bidirectional optical modulation and readout of neural activity. Likewise, NpHR and ChR2 can be targeted together to Caenorhabditis elegans muscle and cholinergic motor neurons to control locomotion bidirectionally. NpHR and ChR2 form a complete system for multimodal, high-speed, genetically targeted, all-optical interrogation of living neural circuits.
