光遺傳學：運用光控制腦部活動
By Sirius Lee 李揚
你讀過我們上一期的文章《地球上的「外星智慧生物」：頭足類動物》了嗎？我們向你介紹過魷魚那些海洋生物大而厚的軸突如何幫助我們了解神經脈衝。今次，我們會向大家介紹一種對神經科學研究極為有用的技術。在早期研究中，科學家面對的困難是無法在不影響附近環境的其他變數下控制單一類型的腦細胞 [1]。以前所用的技術涉及以電極刺激神經元及記錄信號，因為無法針對特定的細胞類型，而且記錄的電脈衝可能會受到在同一部位同時施以的刺激影響，因此效果並不理想 [1]。利用藥物來操控神經元雖然可行，但藥物發揮作用需時 [1]，更可能會導致不必要的副作用 [2]。科學家近年發明了一項可以克服上述問題的新技術，他們的靈感來自發現於古細菌的細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin）及其感光性 [3]。太好了！－ 歡迎來到光遺傳學的年代。
光遺傳學，顧名思義，是一門涉及使用光和改寫基因編碼的技術。選定了一種特定的神經元作研究對象後，我們可以透過基因編輯技術改寫它們的基因組，使細胞表達新插入的感光蛋白細菌視紫紅質的基因。之後透過把生物暴露在相應波長的光下，科學家就可以控制神經元開關，情況類似於遊戲玩家使用遙控器控制遊戲角色。
最早發現的是來自古細菌的細菌視紫紅質，這種細胞膜蛋白被光子激活時會將質子（H+）從細胞質泵出細胞外液。自1971年首次發現細菌視紫紅質以來，研究人員還發現了另外兩類感光蛋白，分別是在1977年發現的嗜鹽視紫紅質（halorhodopsin）和2002年的光敏感通道蛋白（channelrhodopsin）[1]。對黃光敏感的嗜鹽視紫紅質是一種氯離子泵，在黃光激發下能主動轉運負極性的氯離子（Cl–）進入細胞；對藍光敏感的光敏感通道蛋白是一種正離子通道，在藍光激發下允許正離子順濃度梯度流入細胞 [1, 4]。神經元會在去極化時被激發而發放神經脈衝，例如在正離子湧入細胞的時候，因此透過表達合適的感光蛋白並用適當顏色的光把蛋白激活，就可以操縱離子進出細胞以刺激或抑制神經元 [4]。掌握著這把操控基因改造神經元網絡的鑰匙，我們就可以設計實驗驗證神經元活動與某分子活動或個體行為間的因果關係。
光遺傳學很快就成為了神經科學研究上的黃金標準，例如神經科學家可以一方面用河豚毒素這種藥物在活體外（註一）抑制海馬體切片中的神經元活動，另一方面在表達嗜鹽視紫紅質的轉基因小鼠上用光在活體內抑制相關神經元活動來重覆實驗，以驗證某重要蛋白是否會因神經元活動而被表達 [5]。研究人員亦開始嘗試尋找光遺傳學在臨床治療上的用途，擴展這項技術的用處。最近發表在《自然醫學》（Nature Medicine）的有力證據支持光遺傳學在治療視網膜色素病變（retinitis pigmentosa）上的應用，採用光遺傳學的方法能使罹患這個神經退化疾病的患者恢復部分視力 [6]。在這項研究中，含有光敏感通道蛋白基因的病毒載體被注射到患者其中一隻眼睛以基因改造黃點上的視網膜細胞。與此同時，研究人員設計了一副眼鏡，它可以探測周圍環境的光強度，並將資料轉化成光訊號以刺激視網膜細胞中表達的光敏感通道蛋白。在這副眼鏡的幫助下，視網膜細胞就能被適當地激活，令患者得以恢復部分視力。
在探究科學的路上，沒有事情比能夠把大自然的美妙設計轉化成我們的強大工具更為奇妙。這種運用光遺傳學的智慧點亮了神經科學研究的道路，使我們對完全理解大腦神經迴路邁進了一步；或者，這給了我們一把釐清神經科學上許多謎團的鑰匙。
1 在活體內（外）：在中文上也許從字面就能看出含義；而在英文上「in vivo」一詞在拉丁文中解作「在活的生物內」，通常指在活生生的生物上進行的實驗，其對應的相反詞為「in vitro」，解作「在玻璃（實驗器具）內」。
參考資料：
[1] Deisseroth K. Optogenetics. Nat Methods. 2011;8(1):26-29. doi:10.1038/nmeth.f.324
[2] Hartsough LA, Park M, Kotlajich MV, et al. Optogenetic control of gut bacterial metabolism to promote longevity. Elife. 2020;9:e56849. doi:10.7554/eLife.56849
[3] Oesterhelt D, Stoeckenius W. Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobacterium halobium. Nat New Biol. 1971;233(39):149-152. doi:10.1038/newbio233149a0
[4] Yizhar O, Fenno LE, Davidson TJ, Mogri M, Deisseroth K. Optogenetics in neural systems. Neuron. 2011;71(1):9-34. doi:10.1016/j.neuron.2011.06.004
[5] Wang Y, Fu WY, Cheung K, et al. Astrocyte-secreted IL-33 mediates homeostatic synaptic plasticity in the adult hippocampus. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118(1):e2020810118. doi:10.1073/pnas.2020810118
[6] Sahel JA, Boulanger-Scemama E, Pagot C, et al. Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nat Med. 2021;27(7):1223-1229. doi:10.1038/s41591-021-01351-4