光遺傳學(Optogenetics)續集-光通道蛋白及相關實驗 @ 熊熊冷知識

前一篇我們對光遺傳學的歷史和原理作了一個大概的介紹，延續大家對這個領域的熱情和好奇，我們就接著介紹一下光通道蛋白和光遺傳學的一些研究吧！順便讓大家看看光如何控制果蠅寶寶如嗑藥般舞動的影片。

常用的光通道蛋白可以分成兩種，一種是從綠藻分離出的 Channelrhodopsin (ChR)，另一種是從古細菌分離出的 Halorhodopsin (HR)。ChR 是一種陽離子通道，在藍光 (波長約470nm) 照射下打開，可以讓所有帶正電的離子通過，綜合不同陽離子進進出出產生的電位變化，總體來說會造成細胞膜去極化，產生動作電位。因為 ChR 產生的變化非常明顯 (產生動作電位進而有明顯下游反應)，所以 ChR 是目前最常被使用的光通道蛋白。相反的，HR 是一種受光控制的氯離子通道，受黃光 (波長約590nm) 激發打開後氯離子因為濃度差的吸引力大於膜內負電位的斥力，所以會傾向流入細胞，造成細胞過極化。於是有HR的細胞受了光照後就會較難以產生動作電位 (因為膜電位距離閾值更遠了)，形同活性被抑制。

Channelrhodopsin Halorhodopsin

channelrhodopsin_II

其實，兩種光通道蛋白在研究上都是很重要的。我們可以利用 ChR 使特定神經興奮，看動物的反應 (譬如開始唱歌、翻滾)。另一方面，我們也可以利用HR抑制特定神經，去看動物的行為是否會因此而改變。

我們之前提過，研究上，我們將光通道蛋白表現在特定的神經上，讓特定的神經產生反應。為了讓大家對這點更有感覺，我們來看殘忍 (？) 的生物學家怎麼控制果蠅寶寶吧！首先，科學家利用基因工程的方法把ChR特定表現在果蠅幼蟲的動作神經上。當藍光照射時，動作神經興奮，在神經和肌肉間的突觸釋放出傳導物質，使肌肉收縮。在影片中，上方是基因改造過帶有ChR的果蠅，而下方是一般野生的果蠅。可以看到帶有ChR的果蠅在藍光照射下不停的點頭，而野生的果蠅則在一旁依然故我。

(攝影：喵；感謝課程老師Bruce R. Johnson ,組員Hench Wu)

最後，想給大家看在目前的研究上，科學家是如何應用這種技術在各領域研究上。下面是光遺傳學被選為 Nature Method of the Year 2010 的影片。前面是這個技術的介紹。從2:56的地方開始是一些例子，第一個是利用 HR 抑制動作神經，讓蟲蟲無法游泳；3:11開始則是利用光控制心肌細胞 (推測應該是 ChR，因為用藍光)，使其隨光控制跳動；3:35則是很酷的讓皮膚細胞可以往雷射的地方移動！

最後3:45是一張很有名的圖，講神經科學家如何利用這種方法研究大腦，在老鼠自由活動的情況下。他們把光纖 (傳導光訊號) 和量測的電極做成一個小小的可以上下移動的裝置，將之置入老鼠的大腦上，觀察老鼠在不同行為的時候不同神經細胞的活性變化，並觀察改變不同神經的活性對老鼠行為的影響。從前為了量測或刺激特定細胞只能量測被麻醉的老鼠的腦或是腦的切片的神經活動。但不同狀態下(譬如被麻醉)的神經活性可能非常不同，所以我們得到的結果僅能說是在特定狀況下 (如被麻醉時) 神經活動情況。這種裝置和技術，使科學家可以研究活蹦亂跳的老鼠的腦部活動，研究結果將能更貼近正常狀態下的神經表現。