思想,、感情和行為都來自于復(fù)雜回路中多種腦細(xì)胞產(chǎn)生的電信號(hào),。研究人員在這種基本水平上嘗試解釋思維，但缺乏研究抑郁癥,、帕金森氏癥等疾病病因的工具,。最近，斯坦福大學(xué)等單位的研究人員發(fā)明出一種利用光對(duì)腦細(xì)胞活性進(jìn)行直接控制的新技術(shù),，為研究神經(jīng)回路和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了一臂之力,。詳細(xì)內(nèi)容刊登于4月5日《自然》雜志。
為了對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行選擇性控制,，研究人員利用病毒將編碼光敏蛋白的基因插入目的細(xì)胞,。Karl Deisseroth等在2005年《自然—神經(jīng)學(xué)》一篇文章中報(bào)道：將來源于海藻的基因ChR2插入神經(jīng)元后，神經(jīng)元在藍(lán)光照射下活性上升,。本周《自然》文章報(bào)道：來自于古細(xì)菌（archaebacterium）的另一種NpHR能夠使神經(jīng)元在黃光照射下活性下降,。將這兩種基因結(jié)合起來，使神經(jīng)元如同汽車遵從交通信號(hào)燈一樣遵從光波：藍(lán)色代表“通行”（發(fā)射信號(hào)）,，黃色代表“停止”（不發(fā)射信號(hào)）,。
文章報(bào)道，這種技術(shù)能夠在活體生物中產(chǎn)生直接的觀察效果,。斯坦福小組的德國同事將NpHR插入線蟲的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元后,，線蟲在顯微鏡聚焦的黃光照射下停止游泳。某些實(shí)驗(yàn)中,，遺傳改變的線蟲暴露于藍(lán)光后,，會(huì)在非前進(jìn)方向上搖擺，光關(guān)閉后恢復(fù)正常行為,。
與此同時(shí),，斯坦福大學(xué)研究人員在小鼠活腦組織提取物中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用這種技術(shù)使神經(jīng)元在毫米級(jí)時(shí)間內(nèi)發(fā)射信號(hào)或停止發(fā)射信號(hào)（與自然條件下相同）,。其它實(shí)驗(yàn)顯示,，這些光對(duì)細(xì)胞沒有副作用,，關(guān)閉后細(xì)胞恢復(fù)正常功能。
光神經(jīng)元控制的最直接應(yīng)用是,，在神經(jīng)回路中尋找細(xì)胞異常的原因,。腦深部電刺激能夠幫助帕金森氏癥患者，但確切機(jī)理不明,。通過選擇性刺激或破壞不同腦神經(jīng),，新技術(shù)能夠確定對(duì)深部腦刺激有反應(yīng)的神經(jīng)元。這有助于發(fā)展副作用小的電治療法,。
另一潛力是模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)驗(yàn),。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生的信號(hào)模式——有時(shí)開啟有時(shí)關(guān)閉，如同二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的“0”和“1”,，模式中的藍(lán)光和黃光迫使神經(jīng)元釋放信號(hào),。利用這種技術(shù)，研究人員有望對(duì)研究相對(duì)透徹的神經(jīng)元的行為進(jìn)行檢測(cè)和精細(xì)調(diào)節(jié),，通過人為刺激神經(jīng)元發(fā)射運(yùn)動(dòng)指令等信號(hào)使癱瘓人士恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力,。
最終，此技術(shù)可用于開發(fā)大腦的潛在功能,。文章作者,、研究生Feng Zhang說：“終有一天我們會(huì)知道大腦的組裝方式，比如不同類型的細(xì)胞是怎樣互相交流以實(shí)現(xiàn)情緒等復(fù)雜工作的,，或者說人們是怎樣做出決定的,。”
