熊熊冷知識

關於光遺傳學 (Optogenetics) 這個技術，就得從約十年多前的 Stanford 大學開始講起。[1]

當年還分別是 PhD 研究生和 MD-PhD 研究生的 Ed Boyden 和 Karl Deisseroth 常常在 Tsien Lab 腦力激盪想問題到深夜。其中一個困擾他們的重要問題就是 ─ 如何激活單一神經元而不影響到周遭的神經元。

當時一般利用電壓和電流的改變來改變神經膜電位，進而激活或抑制神經。但儘管到現在的技術，電的刺激仍無法只刺激單一神經元。當時的他們想了許多方法，包括讓特定神經細胞表現受張力調控的通道蛋白，將磁珠附在通道上，利用磁場調控離子通道。

那你也許會問，這問題為什麼重要呢？這問題對於研究可愛的魚類的神經生物學家來說，可能不是太嚴重的問題，但對於研究哺乳類，乃至於希望將研究應用到人身上的研究，就是一個亟待解決的問題。為什麼呢？因為不同於簡單的魚類，一個神經核中往往只有一種神經細胞；哺乳動物的腦部神經核中，大多含有不只一種細胞種類，而且常常混雜著多種傳遞不同神經傳導物質的神經元，如富含血清素的 Dorsal Raphe Nucleus 中，除了大量的傳遞血清素的神經元，仍夾著傳遞 GABA 的神經元。而合理推斷帶有不同傳導物質的神經元，應該扮演著不同的功能和角色。所以如果能夠單獨刺激單一種類的神經元，無論是在研究上，或甚至未來在疾病治療上，都有很大的意義。

2000年的晚春，Boyden 開始對受光通道蛋白產生興趣。光通道蛋白是一種受特定波長的光刺激會打開的離子通道。當時人們已經分別在一種綠藻 (Chlamydomonas reinhardtii )[2] 和一種古細菌上 (Natronomonas pharaonis )[3] 發現這種蛋白，並研究出讓在這種蛋白在一般細胞生長環境也能良好表現的方法。[3] (註：那種古細菌原本生長在高鹽度的環境。)

Chlamydomonas reinhardtii.  Author:  Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College

Boyden 想，如果能將這種光通道蛋白利用基因工程的方式表現在特定神經元上，就能利用光照改變特定神經元的活性。

想法：光 → 特定神經元上的(正)離子通道打開 → 膜電位改變 (上升) → 神經元的產生動作電位

(或是：氯離子通道打開 → 膜電位下降 → 神經元的活性被抑制)

講到這裡，你是否好奇為什麼 Boyden 會想到用磁場和光刺激呢？原因是細胞或神經元的尺度很小 (約幾十微米)，而離子通道 (約幾十奈米) 更小，要用接觸力控制，就必須把機械做到奈米尺度，困難度高。而如果我們能用光、聲音、或電磁場等控制，就沒有刺激範圍大小的限制。因為我們只需要把我們想刺激的細胞「訂做」成會對特定刺激 (如：光、聲音或電磁場) 反應的就可以了。這樣雖然大家都被光照到了，卻只有某些會對光反應的細胞會產生反應 (在這個情況下是因為光通道蛋白的打開，特定離子流入神經元，神經元的膜電位改變，因此活性跟著受到改變)。

在2004年8月4日的深夜，Boyden 在基因工程嵌入 Channelrhopsin-2 (一種受光調控的正離子通道) 的神經細胞上紀錄到了第一個跟著光波律動的神經訊號。[4] 這種能刺激特定神經種類的方法，打開了研究神經迴路的新紀元。從此我們不只能夠研究某一神經核的功能，更能研究一神經核中不同種類神經元 (如多巴胺神經元和血清素神經元) 所分別扮演的角色。

續集請見光遺傳學續集

[1]Boyden, E. S.(2011). A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light. F1000 Biol Reports2011, 3:11.

[2]Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, Ollig D, Hegemann P, Bamberg E:Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003, 100:13940–5.

[3]Okuno D, Asaumi M, Muneyuki E: Chloride concentration dependency of the electrogenic activity of halorhodopsin. Biochemistry. 1999, 38:5422–29.

[4]Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., & Deisseroth, K. (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.Nature neuroscience, 8(9), 1263-1268.