思想、感情和行為都來自于復(fù)雜回路中多種腦細胞產(chǎn)生的電信號,。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)明出一種利用光對腦細胞活性進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,。詳細內(nèi)容刊登于4月5日《自然》雜志,。
為了對神經(jīng)元進行選擇性控制，研究人員利用病毒將編碼光敏蛋白的基因插入目的細胞,。Karl Deisseroth等在2005年《自然—神經(jīng)學(xué)》一篇文章中報道：將來源于海藻的基因ChR2插入神經(jīng)元后,，神經(jīng)元在藍光照射下活性上升,。本周《自然》文章報道：來自于古細菌（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燈一樣遵從光波：藍色代表“通行”（發(fā)射信號）,，黃色代表“停止”（不發(fā)射信號）,。
文章報道，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插入線蟲的運動神經(jīng)元后,，線蟲在顯微鏡聚焦的黃光照射下停止游泳。某些實驗中,，遺傳改變的線蟲暴露于藍光后,，會在非前進方向上搖擺，光關(guān)閉后恢復(fù)正常行為,。
與此同時,，斯坦福大學(xué)研究人員在小鼠活腦組織提取物中進行實驗，利用這種技術(shù)使神經(jīng)元在毫米級時間內(nèi)發(fā)射信號或停止發(fā)射信號（與自然條件下相同）,。其它實驗顯示,，這些光對細胞沒有副作用，關(guān)閉后細胞恢復(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)通信的實驗,。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生的信號模式——有時開啟有時關(guān)閉，如同二進制計算機的“0”和“1”,，模式中的藍光和黃光迫使神經(jīng)元釋放信號,。利用這種技術(shù)，研究人員有望對研究相對透徹的神經(jīng)元的行為進行檢測和精細調(diào)節(jié),，通過人為刺激神經(jīng)元發(fā)射運動指令等信號使癱瘓人士恢復(fù)運動能力,。
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：“終有一天我們會知道大腦的組裝方式，比如不同類型的細胞是怎樣互相交流以實現(xiàn)情緒等復(fù)雜工作的,，或者說人們是怎樣做出決定的,。”
