光遗传学技术知识（一）
光遗传学（optogenetics）又称光刺激基因工程（optical stimulation plus genetic engineering），是一种通过光学和遗传学技术在活体动物脑内精准控制细胞行为的技术。由于其高度的时空特异性，光遗传技术广泛应用于神经科学领域的研究。
2010年，光遗传学技术荣膺Nature Methods
年度生命科学技术。 2010年，被Science认为是近十年的突破之一。 光遗传学技术再次被Nature
Methods评为2016年最值得关注的八项技术之一。 未来，光遗传技术将对神经及精神领域疾病的治疗及神经科学以外的组织功能研究贡献更多力量。
一． 光遗传学之前
1979年，Francis Crick提出，神经科学领域急需开发出一种控制技术，进而在不改变其它条件的情况下对大脑里的某种细胞进行操控。由于电刺激信号（electrode）无法对细胞进行精确的定位刺激，而化学药物起效速度慢，无法精确定时控制，于是Crick考虑是否可以利用光控技术。虽然微生物学家们早已发现一些可以表达可见光敏蛋白（visible light-gated protein），但当时还没人将此联系在一起。
图1. 光遗传学出现之前神经科学领域的主要研究技术
二．光遗传学
1.光遗传学的发展历程
2005年8月Karl Deisseroth实验室发表的一篇文章为神经领域的科学家们带来了一项期待已久的新技术——光遗传学技术。这项技术的实现基于单组分控制工具——光敏蛋白的发现。
图2. 光遗传学的发展历程
2．光遗传学原理
在神经元细胞中，细胞膜去极化后会出现动作电位。反之，细胞膜超极化则会抑制峰电位的出现。在神经元细胞中表达可以改变膜电位的外源性光敏蛋白编码基因，就能够通过光控操作来控制峰电位开关。
图3. 神经元的静息电位和动作电位
这类微生物编码的视蛋白神经元细胞开关中第一个被使用的就是ChR2（channelrhodopsin-2）。作为一种非选择性阳离子通道蛋白，在神经元中表达的ChR2在蓝光照射下会立即使神经元发生去极化反应，诱发动作电位。
不过，科学家不总是想要激活神经元细胞。有一种名为NpHR的试验菌视紫红质蛋白（halorhodopsin）是一种氯离子泵，它所在的神经元细胞被黄光照射之后会发生超级化反应，抑制动作电位的形成。
图4. 调控膜电位的光遗传学工具——光敏通道蛋白
（Erika Pastrana，2011）
