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光遗传系统的发展历程介绍

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  光遗传系统是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的技术。
 
  光遗传系统的历程:
 
  1. 绿色荧光蛋白的发展:1962年,下村脩从水母中发现了绿色荧光蛋白(GFP),正式开启了生物发光研究的大门,从此以后,科学家通过改造和筛选,获得了更强,荧光种类更丰富的荧光蛋白来作为生物体的标记,用荧光的办法使生物体内发生的变化可视化。2008年,绿色荧光蛋白获得了诺贝尔化学奖。
 
  2007年,Joshua R. Sanes 和Jeff W. Lichtman主持的一项研究将红黄蓝三种颜色的荧光色素嵌入小鼠基因组,成功地为小鼠的不同细胞涂上不同颜色。三种颜色相互组合,较终展现在显微镜下的老鼠脑干组织切片上有近百种颜色标记,如同一道绚烂的彩虹。
 
  脑虹让我们清楚地看到了大脑内不同细胞交织在一起的绝妙画面,也带来了更深一层的问题——这些细胞之间,是怎么互相作用的呢?在经典的生物学实验中,控制神经细胞需要一些比较粗暴的手段,电刺激、切脑区、或者是加一些化学物质。费时费力不说,达到的实验效果也并不尽如人意。长久以来,神经学家们一直梦想着,能够以精确的时空精度控制神经元活动。这个梦想被光遗传学实现了。光遗传学的灵感实际上来自我们的视觉。人眼中有重重的感光细胞,外界的光线进入我们的眼睛,在视网膜后转变为化学信号和电信号,通过神经元的传输进入大脑。那我们是不是也可以通过光来给神经元下命令,操控它们的活动呢?
 
  2. 2005年——光遗传学不被认可的开始:,斯坦福大学的Edward S Boyden和Karl Deisseroth教授(文末视频主讲者)通过使用慢病毒载体将一种莱茵衣藻的蛋白质ChR2 (Channelrhodopsin-2) 转染到神经元中,实现动作电位与突触传导的兴奋/抑制性控制。然而这样一项开拓性的工作却接连被Nature和Science杂志拒稿,较终即使被Nature Neuroscience接收, 其工作的实用性也遭到了质疑。
 
  3. 2005至今——光遗传学的发展和完善:尽管光遗传学一出现就遭遇了坎坷,但随着与光学的紧密结合,这种以微生物产生的视蛋白为基础的光遗传学操控被广泛应用。对神经环路的研究物种发展到了线虫、果蝇、斑马鱼、啮齿动物等。光遗传学的出现使科学家对神经环路的研究更加可控,特别是当随机检测一个神经元对于神经环路的意义时,光遗传学已经逐渐成为无脊椎动物研究行为基础的神经环路的标尺。即使目前无法完全理解任何感觉、行为和认知的过程,但科研工作者们已经尝试应用光遗传学来绘制信息流形成的大脑图谱,例如结合fMRI(functional magnetic resonance imaging, 功能性磁共振成像)或者PET(postron emission tomography,正电子辐射断层成像)的前沿技术对特定神经细胞产生的活动模式进行全脑范围的成像。随着光遗传学方法和技术的不断发展与完善,光遗传学被科学界广泛认可,2010年被Nature Methods选为年度方法,同年被Science认为是近十年来的突破之一。
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