大脑是怎么工作的？科学家们对此好奇了数百年，开展了大量的实验，开发了许许多多用来研究大脑的工具。
2005年，一项名为”光遗传学“的技术横空出世，并迅速席卷了全球的脑科学实验室。这种技术结合了光学和基因工程技术来操纵脑细胞，帮助我们揭开了许多大脑的谜。
光遗传学是怎样帮我们研究大脑的？它有什么特别之处？
我们的思想和行为来自哪里？古希腊哲学家亚里士多德曾认为，心脏是灵魂和智慧的中心；孟子也曾经说：“心之官则思。”亦即，思维是心脏的功能。随着自然科学的发展和人们对思维的不断研究，现在的神经科学家们告诉我们，思想和行为起源于大脑和神经系统中的一类特殊细胞——神经元。
神经元是大脑中的一种特殊细胞。人类的大脑中有数十亿个神经元，它们之间通过传递电信号和化学信号相互通信交流，从而形成了我们每个个体的全部思想和行为的基础。如果我们想了解大脑如何控制我们的行为，我们就需要了解神经元之间是如何交流的。
众所周知，我们人类的大脑非常复杂，而且出于伦理、道德和法律的原因，科学家们也很少能直接研究人脑。但幸运的是，进化留给了我们一扇窗：我们的大脑和神经元，在许多方面与较为低等的动物脑非常相似。换句话说，神经科学家们可以研究构造更简单的动物脑，并类推这些结果，从侧面来研究人脑。也正是这些动物脑的研究，人们发现了神经细胞的语言。
神经元之间是如何相互交流的？
很久以前，科学家们就通过观察和巧妙的实验发现，神经细胞使用电信号和化学信号进行交流。18世纪后期，有一位意大利科学家，名叫路易吉·加尔瓦尼（Luigi Galvani）。有一天风雨交加、电闪雷鸣，他正徒步穿过一个市场，突然发现案板上待售的青蛙腿在抽搐。他猜想，是不是暴风雨中的电荷在刺激着青蛙腿中的神经呢？他决定回到实验室来验证他的猜想。Galvani拿起一根通电的电极，试着触碰新鲜的青蛙腿，果然这条腿不出所料的抽搐了起来。
这个抽搐打开了神经科学的一扇大门。像Galvani一样，拿一根导电的电极，给特定的神经细胞或神经环路通个电，就能改变局部的电活动，这种方法被称作电刺激。Galvani的这场实验也是神经科学领域的第一场电刺激研究[1]。通过它，Galvani得出一个结论：神****经元可以使用电信号来传递信息。它为神经科学带来了无限的可能——既然我们知道了神经元是如何相互交谈的，那么，我们可不可以直接和神经元对话呢？比如，我们是不是可以用电流来激活一些神经元，观察接下来会发生什么？而这正是之后数百年里，科学家们所做的事情。
1930年，电刺激技术首次用在绘制人脑功能上。有一位名叫维尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）的脑科医生，主治癫痫病人。癫痫是一种危险的疾病，当病症发作时，大脑中往往会出现异常的电信号，会导致病人做出奇怪的甚至伤害自己的行为。对病症严重的病人，只有通过手术才能阻止癫痫发作。然而在那个年代，大脑手术有相当的风险，于是Penfield医生想找到大脑中最重要的那些部分，以避免在这些地方手术。他的做法和Galvani一样，用电刺激来测试病人的大脑。他将一个小电极安放到大脑的运动区域，然后给出了一个微弱的电流，并观察病人的反应。他发现，刺激某个区域会引起手指的抖动，而稍微移动一点位置，病人的脚就会有反应。这意味着什么呢？这意味着，我们的身体的每个部分，都是由大脑的不同区域控制的。这些控制身体运动的大脑区域，他称其为运动脑区。他又在其他病人身上重复类似的事情，发现不同的病人、不同的大脑，运动脑区的位置却都是相似的。基于这些结果，他绘制了历史上第一份人运动脑区的功能图谱[2]。这份图谱一直流传至今，而且直到今日，我们还在使用Penfield医生的这份功能图谱（也叫全息图谱）。
尽管电刺激技术有着广泛应用，它也有不少的缺点：插入电极的过程可能就会损坏一部分大脑；除此以外，电刺激会激活临近的所有神经元，而如果科学家想找某一种神经细胞，选择性地激活它们，电刺激就无能为力了（见下图）。这就好比你去吃火锅🍲的时候，想捞起你看到的一块肉🍖，但是现场只有一把最大号的汤勺🥄，你只能把锅里所有东西都捞出来了一样——这样的方法不够精确、细致，在朋友（外行人）面前也不够优雅。
到了2005年，终于有一项新的技术能进行更精确的大脑刺激了——它就是光遗传。
光遗传是什么？
初中时候就学过，陆地上的植物通过光合作用，产生氧气并获得养分。实际上，海洋中的许多藻类也会进行光合作用。随波逐流的藻类能向着有光的地方移动，靠的就是它们体内的一种特殊的蛋白——视蛋白(opsin)。视蛋白在特定光照射下会改变自己的结构，从而能够告诉藻类那里有光。
神经科学家在视蛋白的基础上，创造了光遗传学工具。光遗传是一种用光和基因工程手段来操纵神经元活动的方法：第一步，科学家借助基因工程手段，向想要研究的神经元的基因序列中插入视蛋白的遗传信息，从而让这些神经元产生视蛋白。以小鼠为例，我们可以根据已知的信息，找到某些特定种类的神经元或大脑中的特定位置，选择性的插入视蛋白，这样我们就可以精确地选择、控制特定神经元。
第二步，就是用特殊的光照激活特定的神经元。在神经科学中，最常用的一种视蛋白是视紫红质-2（ChR2）。它来自于莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）[3]，在蓝光照射的时候会激活，其它颜色的光对它基本都没什么作用。当ChR2插入到神经元后，我们就可以用蓝光照射来激活神经元，这时候，只有插入ChR2的神经元会激活，而对于其它神经元基本没有什么影响[4]。
天降猛男光遗传：我比你更专情
世上的路有多少道，大脑里的“路”也有多少条。不过，这里的路，是神经元之间相互交流的通道，我们也把它叫做”通路”。在现实中，如果你要从一个地方A去另一个地方B，在没有导航的时代，你会怎么做？
你或许会做一件暴露年龄的事：去书报亭买一张纸质地图。然后，你会在地图上找出A和B两个地方，看看有哪些路线能走。如果你时间很充裕，你或许能找到从A到B的全部路线——恭喜！你已经开始像脑科学家一样，绘制起结构地图了。结构地图，就是从A到B的结构组成，用碳基生物的话说，就是路怎么修的。
但“道路千万条，安全第一条”，这么多路线各有各的情况：有些路面狭窄、难以通行，有些是单行道，有些路红绿灯很多……你最终还是要选择一条最好的路线去B那边，你该怎么选呢？除了实地勘探，还有一种方法——找一些车友，听听他们的路线，不就知道了吗？而这，也是脑科学家所追求的功能地图：我们不光要知道路怎么修，更重要的是车怎么走。
许多脑科学家研究的，就是大脑里的结构地图和功能地图。大脑里发生的事情与上面的交通情况非常相似：把上面的路换成”通路”，也就是神经元之间的连接；而神经元之间的信息交流，就像一辆一辆行驶的车一样。当我们清醒的时候，大脑处于非常活跃的状态。在这座脑交通系统里，每时每刻都会有许多的车辆（信息）行驶着，往来于不同的地点（神经元）。这个交通系统太过庞大而复杂，因而人们根本无法发现这个系统的规律，也无从了解大脑的机理。
想要破译这个复杂的网络，一种很自然的想法就是，我们能不能控制这个交通网络？比如，我们规定，只有在发出指令的时候，某一种车才能从一个地方出来、到另一个地方去，这样子是不是就能弄清这份“功能地图”了？而精确控制，正是光遗传的拿手好戏。
想象这样一座”老大哥”城，所有的灯都是红灯，汽车都在等着信号才出发。如果我们用电刺激的方式来"控制交通"，你能达到的精度是将一大片区域都设置为绿灯，激活所有的出发信号，于是就会有一大批车辆出发。你控制不了哪些汽车出发了，于是你看到了熟悉的混乱（笑）。
还记得我们之前说的，光遗传只对我们改造过的神经元有作用吗？如果我们用光遗传的方式指挥交通，我们就能做到精确地控制路面交通，比如限制车种、控制出发时间、限制车牌号等等。与之前相比，这种方法对车辆的追踪更为细致，我们也能更好的知道车辆是怎么行驶的。光遗传在大脑中也类似这样，通过选择神经元的类型、位置等信息，我们就可以用光遗传选择激活一类细胞，观察信号的传递。
光遗传学能拿来做什么？
光遗传的一种用处就是来绘制脑图谱。
回到看地图的例子。我们现在都有在线地图可以看，还能精确的放大缩小。我们可以缩小地图来看主要的道路走向，也可以放大地图来看特定位置的建筑和细节。
脑研究也是一样，我们可以一览大脑的全貌，了解大脑中的信息是如何跨区域传输，以及脑中的不同地方是如何相互连接的。如果我们用光遗传去刺激一个脑区，记录其它脑区的反应，我们就可以了解哪些脑区的信息传输更多。这样我们就可以推测特定的行为是如何产生的，也可以了解脑损伤之后大脑会发生什么变化。
另一方面，我们也可以看细节，观察特定的神经元之间是如何相互连接的。使用光遗传的方式，我们可以激活部分神经元，然后观察其它神经元的反应，研究神经元是怎么协同工作的。这些局部连接与许多大脑疾病密切相关，比如脑卒中就是大脑局部突然缺氧缺血所引起的一系列病症，而光遗传就可以用来研究脑卒中对于局部神经元的影响。
光遗传学技术极大地推动了脑科学的发展。随着技术的进步，我们有了越来越多种的视蛋白，从而能实现更为精细的脑研究，如用多种视蛋白同时控制不同的神经元，或者用抑制性的视蛋白来关闭神经元。回到“老大哥”城，我们可以使用多种信号来控制车辆（信息）的出入。比如，我们用一种信号（蓝灯）控制一种车，另一种信号（红灯）控制另一种车，那么我们就有很多的问题可以研究：如果红灯先亮、蓝灯后亮会怎么样？反过来又会怎么样呢？同时亮呢？这样的实验能帮助我们理解不同的车有什么相互影响。
使用光遗传，科学家们发现了更多秘密
那么光遗传是如何具体参与到研究中的呢？从2005年开始，脑科学家就使用光遗传工具，研究大脑中的方方面面——下到小范围神经元的相互作用，上到不同脑区之间的长距离交流，光遗传都能参与其中[5-6]。从最基本的“吃喝”和”睡觉”开始，科学家们已经用光遗传发现了与饥饿、口渴、呼吸、睡眠和清醒相关的神经环路，以及嗅觉、听觉、视觉和触觉相关的细胞群体。另一方面，光遗传也可以用来研究行为和认知功能。以社交行为为例，同性社交和异性社交有什么不同[8]？选择交配还是打架[9-10]？大脑是如何形成带娃的行为的[11]？又或者在认知方面，恐惧、焦虑是如何形成的[12-13]？大脑是如何判断奖励与惩罚的[14]？记忆是如何存储的[15]？我们可以伪造一段记忆吗[16]？在光遗传技术的帮助下，这些问题都得到了更深刻的理解。
除了基础研究，光遗传技术在健康领域也大放异彩。光遗传学也可以用来研究中风之后大脑的变化[7]。中风是指大脑的局部供血突然受阻，使得这个区域的氧气和养料无法及时送达，一段时间以后，这个脑区的神经元细胞就会逐渐死亡。这会给这个脑区以及与它相连的其它脑区带来什么样的问题呢？我们可以使用视蛋白ChR2来绘制小鼠的脑功能图谱，并将中风小鼠和正常小鼠做对比，结果发现两者随时间变化有很大的不同。中风小组在一周后的大脑活动整体比正常小鼠低，8周以后有所回升，但总体活动仍然低于正常小鼠。只有当我们了解大脑在中风之后会发生哪些变化，科学家才能够为中风病人创造更好的疗法。
在未来，光遗传工具将可能得到更广泛的应用，而这一切进步都离不开每一个人的努力。
更多信息
原文：Lim D and LeDue J (2017) What Is Optogenetics and How Can We Use It to Discover More About the Brain?. Front. Young Minds. 5:51. doi: 10.3389/frym.2017.00051。
作者：Diana H. Lim，英属哥伦比亚大学神经科学博士；Jeffrey LeDue，英属哥伦比亚大学Djavad Mowafaghian脑健康中心
翻译：小鱼
参考资料
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