f**d
发帖数: 768 | 1 谁做这个领域的
能否介绍介绍这个技术的前世后果，和优缺点?
thanks! |
p*****m
发帖数: 7030 | 2 我可以写写这个玩 不过得等几天 呵呵 我自己不是什么专家 但是老板上课做了很好的
一个历史回顾 可以用上
【在 f**d 的大作中提到】
: 谁做这个领域的
: 能否介绍介绍这个技术的前世后果，和优缺点?
: thanks!
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f**d
发帖数: 768 | 3 好啊，先谢谢了
take your time
【在 p*****m 的大作中提到】
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k*****1
发帖数: 454 | 4 thanks! waiting for your lectures, peoplem :-) |
m********a
发帖数: 239 | 5 I want to know how much it costs to set it up (e.g. costs of personnel,
software, hardware, etc). |
f**d
发帖数: 768 | 6 好像，除了ANIMAL一开始稍微花些钱
其他的就和正常电生理差不多了
－－还是让懂行的来谈谈吧
【在 m********a 的大作中提到】
: I want to know how much it costs to set it up (e.g. costs of personnel,
: software, hardware, etc).
|
t******8
发帖数: 478 | 7 老鼠，病毒，光纤，电极，LED/laser，这些并不是特别巨大的花费吧。关键是你想要
做什么以及怎样学到相关的技术。讲了一通废话，坐等专家祥解。
【在 m********a 的大作中提到】
: I want to know how much it costs to set it up (e.g. costs of personnel,
: software, hardware, etc).
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n***w
发帖数: 2405 | 8 Karl前天在ARVO上做报告了，总结了一下他们最近发过的一些paper。。 |
d********r
发帖数: 3279 | 9 software 用ephys的就行了，hardware,几千块搞定. personnel 就没法说了
【在 m********a 的大作中提到】
: I want to know how much it costs to set it up (e.g. costs of personnel,
: software, hardware, etc).
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m********a
发帖数: 239 | 10 Can this technique be applied to rats? |
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t*******o
发帖数: 424 | 11 I believe so
【在 m********a 的大作中提到】
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n****r
发帖数: 246 | 12 The transgenic rats is available now
【在 m********a 的大作中提到】
: Can this technique be applied to rats?
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V****o
发帖数: 112 | 13 karl好像想离开stanford，准备开公司了
【在 n***w 的大作中提到】
: Karl前天在ARVO上做报告了，总结了一下他们最近发过的一些paper。。
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z*******o
发帖数: 1794 | 14 这位大哥好像在到处做报告
【在 V****o 的大作中提到】
: karl好像想离开stanford，准备开公司了
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n****r
发帖数: 246 | 15 貌似不是搞科研的料
【在 z*******o 的大作中提到】
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p*****m
发帖数: 7030 | 16 他报告的目的是给Nobel造势吧 要真去了公司估计就没他的份了channelrhodopsin的发
展历史来看有4-6个人有希望拿奖 karl自愿退出别人要乐坏了
【在 z*******o 的大作中提到】
: 这位大哥好像在到处做报告
|
A********e
发帖数: 117 | 17 光控大脑(转载自南方都市报)
斯坦福大学的一群学生通过植入老鼠脑部的光缆和海藻基因控制了它的行动，这个惊人
的实验背后凝聚着许多科学家的研究成果，最终这一技术可以被用于拯救帕金森等脑病
患者，甚至帮助实现人与机器真正结合的梦想。
2007年夏，一队斯坦福大学毕业生将一只老鼠放进了一个塑料盆。老鼠好奇地嗅着
盆底。它似乎不介意自己的头骨被刺穿插入了光缆，也不介意自己的运动皮层已经被改
写。一名学生打开开关，镶嵌入老鼠脑部的光缆发出蓝光。老鼠立刻开始以反时针方向
在塑料盆中绕着圈跑，似乎想要赢得鼠科动物奥运会。蓝光关闭，老鼠立刻停了下来，
用两条后腿站立，看着学生们，似乎在问，“我刚才为什么要那么干？”学生们欢呼雀
跃，似乎刚目睹了最重要的一幕。因为，这确实是他们所见过的最重要的事情。他们显
示了一束光线能够精确地控制脑活动。这只老鼠并没有因此失忆，也没有发生癫痫，更
没有死去。它乖乖地以反时针方向绕圈跑。
“精确”是这里的关键词。药物和植入的点击也可以影响脑，但它们很不精确：药
物会不加辨别地影响很多种神经元。电极启动它周围的每个神经细胞。对于研究者这并
非理想的效果，因为每平方毫米的脑都包含好多种不同种类的神经元，每一种有着不同
的分工。药物和电流启动了不需要的神经活动，也就是副作用。对于病人也很不利。耳
蜗植入物通过电击听觉神经，让聋人恢复听觉，但由于周边非听觉神经元也会受到影响
，会产生失真的声音。植入脑部的刺激物可以让帕金森患者重新站立说话，但也可能导
致癫痫和肌肉衰弱。电击可帮助抑郁症患者，但也可导致记忆丧失。
1979年，DNA双螺旋结构的发现人之一弗朗西斯·克里克曾哀叹现有技术的粗糙。
他在《科学美国人》中撰文说，我们需要的是一种能够精确控制某个区域的一种神经细
胞的方法。差不多30年后，他的构想才终于被斯坦福大学的学生们实现。但是他们怎么
能使用光？神经元对光不会产生反应。这个想法听上去很疯狂，就像试图用手电筒发动
汽车一样。秘密在于，那只老鼠的神经元被插入了新的基因———来自能对光产生反应
的植物的基因。当然，基因仅仅是指令。它们自己什么也干不了，就像是宜家家具的组
装图不能让家具自己装好。但基因指挥蛋白质的组装，蛋白质让指令变成现实。老鼠脑
中的新的植物蛋白对光敏感，可启动神经元。
老鼠实验的结果预示着一种改变头脑的强大方法。首先，它可以用于治疗疾病，帮
助了解脑和身体的互动。最终，帮助实现人和机器的结合。
这
一技术起源于一种很不起眼的生物：池塘绿藻。上世纪90年代初，德国生物学家彼
得·赫格曼正在研究一种单细胞的衣藻。在显微镜下，这种原始生物看似一个带着尾巴
的足球。当暴露在光下，尾巴会疯狂地摇动，推动细胞前进。赫格曼想知道这种没有眼
睛和脑的单细胞生物到底是如何对光做出反应的。它是如何“看见”？是什么让它“发
生反应”？赫格曼和同事发现这种藻细胞的膜充满螺旋形的蛋白。他们推测，当光子撞
击这些蛋白中的一个，螺旋展开，在细胞膜上形成一个小孔。带电离子进入膜内，让细
胞的鞭毛运动。整个细胞向前游动。惊人的小“机器”！但是毫无用处。直到90年代末
，科学家们才想出利用的方法。
1999年，圣迭戈加州大学的生物学家钱永健响应克里克的号召，试图研究出更好地
启动神经元的方法。他读到赫格曼的衣藻研究开始思考：这种光敏性能否引入神经细胞
？要实现这一目标，必须弄明白是哪个基因导致了衣藻细胞膜蛋白质的光敏性。然后，
这个基因可以被插入神经元，使它们也能对光做出反应。用光启动神经元并不是什么壮
举，电流也能做到。但真正令人激动的是，可以通过一个基因只影响到特定种类的神经
元。科学家们可在给一个基因贴上“启动子”———一个DN A片段，可以控制某个基因
是否被使用。
具体做法是：将（携带启动子）的基因插入一群病毒粒子，再将它们注射进脑部。
病毒感染1-2立方毫米的组织。这就是说，它们把新的基因插入了该区域的所有神经元
。但是由于启动子的缘故，这些基因指挥启动某一种类的神经元。其他所有神经元将对
它置之不理。这样一来，研究者将能够每次只刺激一种神经元。从此告别副作用。
钱给赫格曼写信，索要衣藻的光敏基因。赫格曼不确定到底是哪个，寄给他两种可
能的基因。钱将两种基因插入人工培养的神经元。但当暴露在光线下时，神经元没有任
何反应。钱又从衣藻身上提取了两种基因，尝试了其中一种，依然没有效果。钱说，“
三振出局，你不得不承认自己失败了。”于是他开始了另外的研究，没有检查第4个基
因就把它放进了冰箱里。
与此同时，赫格曼和他的同事的研究还在继续。两年后，他们将一个基因插入了一
个青蛙卵，对准光线，卵立刻释放电流。当钱读到赫格曼的论文，他立刻注意到了那个
基因。当然正是被他放进冰箱的那个。“我们的失误不是把它放进冰箱，”钱表情淡淡
地说，“而是没有再把它取出来。”这就是科学研究，“有成功，也有失败。”（他最
后确实取得了成功。凭借用绿色荧光蛋白的研究，他获得了2008年的诺贝尔化学奖。）
赫格曼的小组将这个基因命名为Channelrhodopsin-1.2003年，他们就它的变异
Channelrhodopsin-2提出了一个大胆建议：“可以用来启动动物细胞……只需要照射光
线。”现在，必须有人为这一发现找到实际用途。
斯坦福大学的精神病学家卡尔·戴瑟罗斯接触过很多患有可怕脑病的患者。有两个
病人给他留下了特别深刻的印象。一位是被抑郁症困扰的聪明大学生。另一位因为帕金
森病丧失活动能力，让她无法行走、微笑、吃东西。戴瑟罗斯说，“我救不了他们。这
种束手无策的感觉一直困扰着我。”
身材瘦小、近40岁的戴瑟罗斯也是一名神经学家。他每周要去一家精神病诊所上一
天班，其余时间管理一家实验室。2003年，他读到了赫格曼的论文，想到了钱永健在
1999年曾经提出的问题：脑部的作怪细胞是否能通过基因改造，再用光控制。他和几名
研究生一起开始相关研究。其中包括张峰（音译）和爱德华·博伊登。张刚从哈佛大学
毕业，说话带着波士顿和汉语口音。博伊登19岁凭借一篇关于量子计算的论文毕业于麻
省理工学院，正在修神经学博士学位。2005年，张和博伊登重复了钱的实验。不同的是
，这一次，他们用对了基因。他们将它插入玻片上的一滴神经组织培养液中，将一根小
小的电极插入一个神经元，从而判断它什么时候被启动。然后，再照射以蓝光。因为
Channelrhodopsin基因对蓝光的反应最强烈。
他们的工具是一台古怪的改装后的显微镜。镜头上安装有一个照相机，一束光线对
准玻片，一堆电路板被用于放大他们希望观察到的电流。如果细胞启动，屏幕上会出现
一个明显的峰值。果然，每次闪光之后，就出现峰值。现在，他们找到了开启神经元的
方法。但是要如何关闭它们，这一点同样重要。博伊登取得博士学位后，接受了麻省理
工学院的一个职位，开始寻找这个关闭“按钮”。他发现一种名为halorhodopsin的细
菌基因具有一种属性，显示它和Channelrhodopsin基因的作用正好相反。2006年，博伊
登将halorhodopsin插入神经元，再照射以黄光。神经元立刻停止工作。完美无缺。
在斯坦福，戴瑟罗斯的小组得到了同样的发现，很快，他们用黄光阻止了蠕虫的活
动。其他的实验室成功用蓝光让苍蝇开始飞行。这一研究遍地开花，几十家实验室向戴
瑟罗斯索要两个关键基因。这个新的研究领域被命名为光遗传学：光刺激+遗传工程。
但是培养皿和昆虫头脑中的神经元相对简单。对于复杂的哺乳动物脑，光遗传学还
管用吗？它能否被用于治疗真正的脑部疾病。2007年夏，戴瑟罗斯的小组用反时针方向
绕圈跑的老鼠回答了第一个问题。他们将Channelrhodopsin基因插入老鼠的右侧前运动
皮层，这个区域控制身体左侧的运动。当光线亮起之后，小家伙开始向左前进。戴瑟罗
斯立刻指挥他的小组研究要刺激脑的哪部分才能治愈帕金森病。光遗传学是最理想的工
具，因为它允许研究者尝试各种各样的神经元，发现哪一种能够让腿恢复运动，让脸上
重现微笑。
可是，一次次的实验都宣告失败。戴瑟罗斯说，“我们几乎要放弃了，因为显示不
出任何治疗效果。”很多专家认为，关键在于刺激丘脑底核区域（负责协调运动）的恰
当神经细胞。但实验之后发现，这样做根本无效。然后，戴瑟罗斯手下两位研究生开始
尝试一种不被看好的方法。他们刺激脑表层附近的神经元，这些神经元负责传递信号给
丘脑底核。这种方法要困难很多，就好像不是自己用剪刀，而要指挥别人使用剪刀。意
想不到的是，他们用这种方法成功让老鼠恢复了行走能力。在2009年4月发表的论文中
，他们写道，“效果非常惊人；几乎每次实验中，这些患有重度帕金森的老鼠都恢复了
行动能力，几乎和正常老鼠看不出差别。”
在麻省理工学院，博伊登想要知道，这一方法是否适用于人？但是，设想要对一位
病人说，“我们打算往你的脑中注射一种病毒，病毒携带有提取自衣藻的基因，然后，
我们打算给你的头骨中插入光源。”首先，他需要一些具有说服力的安全数据。同年夏
天，博伊登和他的助手开始用恒河猴做实验。这种动物的脑与人相对接近。他们连续几
分钟刺激一只猴子的脑神经元，每隔几周刺激一次，一直持续了9个月。结果，似乎没
有给它造成任何伤害。
下一步关键是找到一种不需要将光缆穿透头骨的方法。戴瑟罗斯的同事设计了一个
装置，长度相当于冰棍棒的1/3.它有4个LED（发光二极管）：两个蓝色负责启动神经元
，两个黄色负责关闭的神经元。相连的小盒子可以提供电源和指令。将这个小装置植入
脑表面，运动控制区域上方。发光二极管的光线足够明亮可以照亮大片组织，所以植入
的位置不必很精确。光敏基因已经先一步被插入病变组织。相比给脑深层内部植入电极
，这样的手术要简单很多，如果有用，治疗效果也要准确得多。斯坦福大学的研究者目
前正在灵长类动物身上实验这一装置。如果一切顺利，他们将申请食品和药品管理局批
准人类实验。
治疗帕金森和其他脑病可能只是开始。光遗传学具有神奇的前景，不仅可以用于向
脑部传递信息，还可以用来读取脑中的信息，而钱永健赢得诺贝尔奖的研究成果是关键
。通过给老鼠神经元插入另一个让细胞在启动后发出绿色荧光的基因，研究者将能够反
过来用传送光线的光缆监测神经活动。光缆变成了一个透镜，使得往大脑某区域“写入
”并同时“读取”信息成为可能：双向交通。这究竟有什么了不起？现有的神经技术都
是单向的。植入装置能让瘫痪病人操作电脑，但无法向大脑反馈信息。它们只是输出设
备。反过来，聋人的耳蜗植入装置只能输入。它们往听觉神经输送数据，却无法接受大
脑对耳部的反馈。
理论上说，双向光遗传交通可促成人机融合，让脑真正与机器交流，而非仅仅发出
或接收指令。它可用于向假肢发出指令，并接收假肢感应器收集的反馈信息。蓝色和黄
色的LED将在经过遗传改造的脑皮层体感区域闪烁，让用户感知假肢的重量、温度和质
感，使它感觉上像真的手臂一样。虽然这种人机合一的技术还相当遥远，但已不再是不
着边际的疯狂想象。 |
A********e
发帖数: 117 | 18 http://www.lifeomics.com/?p=19815
动力学双稳态的（Kinetically bi-stable）channelrhodopsin-2光敏通道变异体能够
对神经元细胞进行高敏感度的、逐步作用式的、可逆的光控调节。
光控刺激技术因其能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学
领域的研究状况。光敏离子通道（light-responsive ion channel）也被称作视蛋白（
opsin），它是引领这场技术革命的大功臣。因为表达有视蛋白的神经元细胞能被特异
性地激活，所以科学家可以借此来研究神经元细胞之间如何进行沟通、交换信息，并可
以在此基础上进一步描绘出神经网络（neuronal network）。斯坦福大学（Stanford
University）的Karl Deisseroth等人与来自德国柏林洪堡大学（Humboldt University
of Berlin）的Peter Hegemann小组合作，得到了一种新的channelrhodopsin-2（ChR2
）光敏通道变异体，该光敏阳离子通道来自一种绿藻，它具有稳定的激活态和失活态（
即双稳态）两种状态，可以进行精细的“开、关”操作。
正如Deisseroth所说的那样，他们费尽心机地对ChR2分子进行改造是基于以下两个考虑
：“第一，弄清楚ChR2通道分子作用的生物物理学机制，并找出究竟是ChR2通道分子中
的哪一个残基起到了“开关”作用；第二，也是最重要的原因就是想得到一种具有实用
价值的，能被极短时间光照“开关”的，且是双稳态的光敏离子通道。”
为了得到这样的离子通道，科研人员借助与视蛋白相关的细菌视紫红质离子泵（
bacteriorhodopsin ion pump）分子结构方面的知识，以及已有的视蛋白光遇期（
photocycle）相关物理、化学资料，最终将目标锁定在了ChR2分子第128位半胱氨酸上
（Cys128）。根据计算机结构预测，Cys128位于视蛋白生色基团（chromophore）——
全反式视黄醛（all-trans retinal）附近，因此Deisseroth等人猜测Cys128可能对于
控制ChR2离子通道的开关起到了关键性作用，不过他们发现单独替换掉Cys128之后，
ChR2离子通道的动力学性质发生了很大的改变。于是，Deisseroth等人构建了3种不同
的ChR2突变体——ChR2-C128T、ChR2-C128A和ChR-C128S。虽然这三种突变体各自具有
独特的特性，不过都具有一个共同的特点，那就是延长的传导态寿命（extended
conducting state lifetime），这样，只需使用短暂的光刺激就能获得比以往时间更
长的、可逆的细胞膜去极化状态了（membrane depolarization）。
Deisseroth希望他们接下来的工作能够进一步优化这些离子通道的特性。他说：“因为
有些离子通道变异体还有一个缺点，那就是相对野生型离子通道来说，它们的电流强度
较弱，因此，需要通过多重突变进行进一步改造，使它们的电流强度能恢复到野生型离
子通道所能达到的水平。”随后，他们还将研究如何改进ChR2离子通道在胞膜上的定位
技术，以及研究使用包括来自团藻（Volvox carteri）的对红光敏感的视紫红质离子通
道的复合视蛋白分子（composite of opsins），他们的实验室已经开始进行这些研究
工作了。
虽然还有其它的研究手段可以用于局部神经元刺激（localized neuronal stimulation
）研究，不过Deisseroth还是相信，他们的离子通道对于从事神经科学研究的科研人员
来说是最好的选择。“化学研究方法的确能得到非常漂亮的试验结果，但是对于大型哺
乳动物的神经系统来说，化学试剂和紫外光就不是那么好用了。”而且这些“特制的”
离子通道能致敏目的细胞（sensitize target cells）（这些“特制的”离子通道可以
进行反复地“开”和“关”操作，这样就能提高细胞的易兴奋性，即致敏，这样，那些
原本是潜伏的信号也能起到作用了），这也是野生型的离子通道做不到的，因此，我们
可以研究“真正的”神经细胞反应，而不再只是简单地通过外加的人为刺激来进行“人
造的”研究。这些离子通道变异体具有双稳态效应，能被短暂的光刺激激活，还具有致
敏效应。” Deisseroth补充道。
ChR2离子通道变异体的这些新特性会进一步扩展它们的应用范围，尤其是在那些需要
ChR2离子通道参与的持续性刺激（chronic stimulation）当中。使用低强度、短暂光
刺激来控制神经元的活化能减少组织的能量摄入量，因此能减少组织损伤，延长用于持
续性脑刺激的仪器（例如用于治疗帕金森氏症或抑郁症的脑刺激仪）电池的使用寿命。
Deisseroth还补充道：“任何长期的治疗手段，无论是临床治疗还是临床前治疗，无论
是用于刺激神经发育或是用于维持内环境稳态等，都将会因此而获益良多。”
尽管Deisseroth对他的发明充满了信心，不过他还是很清楚，自己必须克服技术上的障
碍，才能将这项发明应用于实际，神经科学家才能真正使用上这项新发明。“前途是非
常光明的，不过还有许多工作等着我们去做。”他说道。
参考文献：Berndt, A. et al. Bi-stable neural state switches. Nat. Neurosci.
advance online publication 8 December 2008.
Clark/编译 |
a*******1
发帖数: 8 | |
P*********o
发帖数: 14 | 20 光控离子通道的文章很多，综述也很多，不是一两句话就能说清楚的，要自己阅读研究。
但是归根结底也只是一项技术，需要你自己理解他运用它，去解决你自己的问题。不要
为技术而技术。 |
|
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f**d
发帖数: 768 | 21 谁做这个领域的
能否介绍介绍这个技术的前世后果，和优缺点?
thanks! |
p*****m
发帖数: 7030 | 22 我可以写写这个玩 不过得等几天 呵呵 我自己不是什么专家 但是老板上课做了很好的
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发帖数: 768 | 23 好啊，先谢谢了
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发帖数: 454 | 24 thanks! waiting for your lectures, peoplem :-) |
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发帖数: 239 | 25 I want to know how much it costs to set it up (e.g. costs of personnel,
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发帖数: 239 | 30 Can this technique be applied to rats? |
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发帖数: 424 | 31 I believe so
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发帖数: 246 | 32 The transgenic rats is available now
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斯坦福大学的一群学生通过植入老鼠脑部的光缆和海藻基因控制了它的行动，这个惊人
的实验背后凝聚着许多科学家的研究成果，最终这一技术可以被用于拯救帕金森等脑病
患者，甚至帮助实现人与机器真正结合的梦想。
2007年夏，一队斯坦福大学毕业生将一只老鼠放进了一个塑料盆。老鼠好奇地嗅着
盆底。它似乎不介意自己的头骨被刺穿插入了光缆，也不介意自己的运动皮层已经被改
写。一名学生打开开关，镶嵌入老鼠脑部的光缆发出蓝光。老鼠立刻开始以反时针方向
在塑料盆中绕着圈跑，似乎想要赢得鼠科动物奥运会。蓝光关闭，老鼠立刻停了下来，
用两条后腿站立，看着学生们，似乎在问，“我刚才为什么要那么干？”学生们欢呼雀
跃，似乎刚目睹了最重要的一幕。因为，这确实是他们所见过的最重要的事情。他们显
示了一束光线能够精确地控制脑活动。这只老鼠并没有因此失忆，也没有发生癫痫，更
没有死去。它乖乖地以反时针方向绕圈跑。
“精确”是这里的关键词。药物和植入的点击也可以影响脑，但它们很不精确：药
物会不加辨别地影响很多种神经元。电极启动它周围的每个神经细胞。对于研究者这并
非理想的效果，因为每平方毫米的脑都包含好多种不同种类的神经元，每一种有着不同
的分工。药物和电流启动了不需要的神经活动，也就是副作用。对于病人也很不利。耳
蜗植入物通过电击听觉神经，让聋人恢复听觉，但由于周边非听觉神经元也会受到影响
，会产生失真的声音。植入脑部的刺激物可以让帕金森患者重新站立说话，但也可能导
致癫痫和肌肉衰弱。电击可帮助抑郁症患者，但也可导致记忆丧失。
1979年，DNA双螺旋结构的发现人之一弗朗西斯·克里克曾哀叹现有技术的粗糙。
他在《科学美国人》中撰文说，我们需要的是一种能够精确控制某个区域的一种神经细
胞的方法。差不多30年后，他的构想才终于被斯坦福大学的学生们实现。但是他们怎么
能使用光？神经元对光不会产生反应。这个想法听上去很疯狂，就像试图用手电筒发动
汽车一样。秘密在于，那只老鼠的神经元被插入了新的基因———来自能对光产生反应
的植物的基因。当然，基因仅仅是指令。它们自己什么也干不了，就像是宜家家具的组
装图不能让家具自己装好。但基因指挥蛋白质的组装，蛋白质让指令变成现实。老鼠脑
中的新的植物蛋白对光敏感，可启动神经元。
老鼠实验的结果预示着一种改变头脑的强大方法。首先，它可以用于治疗疾病，帮
助了解脑和身体的互动。最终，帮助实现人和机器的结合。
这
一技术起源于一种很不起眼的生物：池塘绿藻。上世纪90年代初，德国生物学家彼
得·赫格曼正在研究一种单细胞的衣藻。在显微镜下，这种原始生物看似一个带着尾巴
的足球。当暴露在光下，尾巴会疯狂地摇动，推动细胞前进。赫格曼想知道这种没有眼
睛和脑的单细胞生物到底是如何对光做出反应的。它是如何“看见”？是什么让它“发
生反应”？赫格曼和同事发现这种藻细胞的膜充满螺旋形的蛋白。他们推测，当光子撞
击这些蛋白中的一个，螺旋展开，在细胞膜上形成一个小孔。带电离子进入膜内，让细
胞的鞭毛运动。整个细胞向前游动。惊人的小“机器”！但是毫无用处。直到90年代末
，科学家们才想出利用的方法。
1999年，圣迭戈加州大学的生物学家钱永健响应克里克的号召，试图研究出更好地
启动神经元的方法。他读到赫格曼的衣藻研究开始思考：这种光敏性能否引入神经细胞
？要实现这一目标，必须弄明白是哪个基因导致了衣藻细胞膜蛋白质的光敏性。然后，
这个基因可以被插入神经元，使它们也能对光做出反应。用光启动神经元并不是什么壮
举，电流也能做到。但真正令人激动的是，可以通过一个基因只影响到特定种类的神经
元。科学家们可在给一个基因贴上“启动子”———一个DN A片段，可以控制某个基因
是否被使用。
具体做法是：将（携带启动子）的基因插入一群病毒粒子，再将它们注射进脑部。
病毒感染1-2立方毫米的组织。这就是说，它们把新的基因插入了该区域的所有神经元
。但是由于启动子的缘故，这些基因指挥启动某一种类的神经元。其他所有神经元将对
它置之不理。这样一来，研究者将能够每次只刺激一种神经元。从此告别副作用。
钱给赫格曼写信，索要衣藻的光敏基因。赫格曼不确定到底是哪个，寄给他两种可
能的基因。钱将两种基因插入人工培养的神经元。但当暴露在光线下时，神经元没有任
何反应。钱又从衣藻身上提取了两种基因，尝试了其中一种，依然没有效果。钱说，“
三振出局，你不得不承认自己失败了。”于是他开始了另外的研究，没有检查第4个基
因就把它放进了冰箱里。
与此同时，赫格曼和他的同事的研究还在继续。两年后，他们将一个基因插入了一
个青蛙卵，对准光线，卵立刻释放电流。当钱读到赫格曼的论文，他立刻注意到了那个
基因。当然正是被他放进冰箱的那个。“我们的失误不是把它放进冰箱，”钱表情淡淡
地说，“而是没有再把它取出来。”这就是科学研究，“有成功，也有失败。”（他最
后确实取得了成功。凭借用绿色荧光蛋白的研究，他获得了2008年的诺贝尔化学奖。）
赫格曼的小组将这个基因命名为Channelrhodopsin-1.2003年，他们就它的变异
Channelrhodopsin-2提出了一个大胆建议：“可以用来启动动物细胞……只需要照射光
线。”现在，必须有人为这一发现找到实际用途。
斯坦福大学的精神病学家卡尔·戴瑟罗斯接触过很多患有可怕脑病的患者。有两个
病人给他留下了特别深刻的印象。一位是被抑郁症困扰的聪明大学生。另一位因为帕金
森病丧失活动能力，让她无法行走、微笑、吃东西。戴瑟罗斯说，“我救不了他们。这
种束手无策的感觉一直困扰着我。”
身材瘦小、近40岁的戴瑟罗斯也是一名神经学家。他每周要去一家精神病诊所上一
天班，其余时间管理一家实验室。2003年，他读到了赫格曼的论文，想到了钱永健在
1999年曾经提出的问题：脑部的作怪细胞是否能通过基因改造，再用光控制。他和几名
研究生一起开始相关研究。其中包括张峰（音译）和爱德华·博伊登。张刚从哈佛大学
毕业，说话带着波士顿和汉语口音。博伊登19岁凭借一篇关于量子计算的论文毕业于麻
省理工学院，正在修神经学博士学位。2005年，张和博伊登重复了钱的实验。不同的是
，这一次，他们用对了基因。他们将它插入玻片上的一滴神经组织培养液中，将一根小
小的电极插入一个神经元，从而判断它什么时候被启动。然后，再照射以蓝光。因为
Channelrhodopsin基因对蓝光的反应最强烈。
他们的工具是一台古怪的改装后的显微镜。镜头上安装有一个照相机，一束光线对
准玻片，一堆电路板被用于放大他们希望观察到的电流。如果细胞启动，屏幕上会出现
一个明显的峰值。果然，每次闪光之后，就出现峰值。现在，他们找到了开启神经元的
方法。但是要如何关闭它们，这一点同样重要。博伊登取得博士学位后，接受了麻省理
工学院的一个职位，开始寻找这个关闭“按钮”。他发现一种名为halorhodopsin的细
菌基因具有一种属性，显示它和Channelrhodopsin基因的作用正好相反。2006年，博伊
登将halorhodopsin插入神经元，再照射以黄光。神经元立刻停止工作。完美无缺。
在斯坦福，戴瑟罗斯的小组得到了同样的发现，很快，他们用黄光阻止了蠕虫的活
动。其他的实验室成功用蓝光让苍蝇开始飞行。这一研究遍地开花，几十家实验室向戴
瑟罗斯索要两个关键基因。这个新的研究领域被命名为光遗传学：光刺激+遗传工程。
但是培养皿和昆虫头脑中的神经元相对简单。对于复杂的哺乳动物脑，光遗传学还
管用吗？它能否被用于治疗真正的脑部疾病。2007年夏，戴瑟罗斯的小组用反时针方向
绕圈跑的老鼠回答了第一个问题。他们将Channelrhodopsin基因插入老鼠的右侧前运动
皮层，这个区域控制身体左侧的运动。当光线亮起之后，小家伙开始向左前进。戴瑟罗
斯立刻指挥他的小组研究要刺激脑的哪部分才能治愈帕金森病。光遗传学是最理想的工
具，因为它允许研究者尝试各种各样的神经元，发现哪一种能够让腿恢复运动，让脸上
重现微笑。
可是，一次次的实验都宣告失败。戴瑟罗斯说，“我们几乎要放弃了，因为显示不
出任何治疗效果。”很多专家认为，关键在于刺激丘脑底核区域（负责协调运动）的恰
当神经细胞。但实验之后发现，这样做根本无效。然后，戴瑟罗斯手下两位研究生开始
尝试一种不被看好的方法。他们刺激脑表层附近的神经元，这些神经元负责传递信号给
丘脑底核。这种方法要困难很多，就好像不是自己用剪刀，而要指挥别人使用剪刀。意
想不到的是，他们用这种方法成功让老鼠恢复了行走能力。在2009年4月发表的论文中
，他们写道，“效果非常惊人；几乎每次实验中，这些患有重度帕金森的老鼠都恢复了
行动能力，几乎和正常老鼠看不出差别。”
在麻省理工学院，博伊登想要知道，这一方法是否适用于人？但是，设想要对一位
病人说，“我们打算往你的脑中注射一种病毒，病毒携带有提取自衣藻的基因，然后，
我们打算给你的头骨中插入光源。”首先，他需要一些具有说服力的安全数据。同年夏
天，博伊登和他的助手开始用恒河猴做实验。这种动物的脑与人相对接近。他们连续几
分钟刺激一只猴子的脑神经元，每隔几周刺激一次，一直持续了9个月。结果，似乎没
有给它造成任何伤害。
下一步关键是找到一种不需要将光缆穿透头骨的方法。戴瑟罗斯的同事设计了一个
装置，长度相当于冰棍棒的1/3.它有4个LED（发光二极管）：两个蓝色负责启动神经元
，两个黄色负责关闭的神经元。相连的小盒子可以提供电源和指令。将这个小装置植入
脑表面，运动控制区域上方。发光二极管的光线足够明亮可以照亮大片组织，所以植入
的位置不必很精确。光敏基因已经先一步被插入病变组织。相比给脑深层内部植入电极
，这样的手术要简单很多，如果有用，治疗效果也要准确得多。斯坦福大学的研究者目
前正在灵长类动物身上实验这一装置。如果一切顺利，他们将申请食品和药品管理局批
准人类实验。
治疗帕金森和其他脑病可能只是开始。光遗传学具有神奇的前景，不仅可以用于向
脑部传递信息，还可以用来读取脑中的信息，而钱永健赢得诺贝尔奖的研究成果是关键
。通过给老鼠神经元插入另一个让细胞在启动后发出绿色荧光的基因，研究者将能够反
过来用传送光线的光缆监测神经活动。光缆变成了一个透镜，使得往大脑某区域“写入
”并同时“读取”信息成为可能：双向交通。这究竟有什么了不起？现有的神经技术都
是单向的。植入装置能让瘫痪病人操作电脑，但无法向大脑反馈信息。它们只是输出设
备。反过来，聋人的耳蜗植入装置只能输入。它们往听觉神经输送数据，却无法接受大
脑对耳部的反馈。
理论上说，双向光遗传交通可促成人机融合，让脑真正与机器交流，而非仅仅发出
或接收指令。它可用于向假肢发出指令，并接收假肢感应器收集的反馈信息。蓝色和黄
色的LED将在经过遗传改造的脑皮层体感区域闪烁，让用户感知假肢的重量、温度和质
感，使它感觉上像真的手臂一样。虽然这种人机合一的技术还相当遥远，但已不再是不
着边际的疯狂想象。 |
A********e
发帖数: 117 | 37 http://www.lifeomics.com/?p=19815
动力学双稳态的（Kinetically bi-stable）channelrhodopsin-2光敏通道变异体能够
对神经元细胞进行高敏感度的、逐步作用式的、可逆的光控调节。
光控刺激技术因其能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学
领域的研究状况。光敏离子通道（light-responsive ion channel）也被称作视蛋白（
opsin），它是引领这场技术革命的大功臣。因为表达有视蛋白的神经元细胞能被特异
性地激活，所以科学家可以借此来研究神经元细胞之间如何进行沟通、交换信息，并可
以在此基础上进一步描绘出神经网络（neuronal network）。斯坦福大学（Stanford
University）的Karl Deisseroth等人与来自德国柏林洪堡大学（Humboldt University
of Berlin）的Peter Hegemann小组合作，得到了一种新的channelrhodopsin-2（ChR2
）光敏通道变异体，该光敏阳离子通道来自一种绿藻，它具有稳定的激活态和失活态（
即双稳态）两种状态，可以进行精细的“开、关”操作。
正如Deisseroth所说的那样，他们费尽心机地对ChR2分子进行改造是基于以下两个考虑
：“第一，弄清楚ChR2通道分子作用的生物物理学机制，并找出究竟是ChR2通道分子中
的哪一个残基起到了“开关”作用；第二，也是最重要的原因就是想得到一种具有实用
价值的，能被极短时间光照“开关”的，且是双稳态的光敏离子通道。”
为了得到这样的离子通道，科研人员借助与视蛋白相关的细菌视紫红质离子泵（
bacteriorhodopsin ion pump）分子结构方面的知识，以及已有的视蛋白光遇期（
photocycle）相关物理、化学资料，最终将目标锁定在了ChR2分子第128位半胱氨酸上
（Cys128）。根据计算机结构预测，Cys128位于视蛋白生色基团（chromophore）——
全反式视黄醛（all-trans retinal）附近，因此Deisseroth等人猜测Cys128可能对于
控制ChR2离子通道的开关起到了关键性作用，不过他们发现单独替换掉Cys128之后，
ChR2离子通道的动力学性质发生了很大的改变。于是，Deisseroth等人构建了3种不同
的ChR2突变体——ChR2-C128T、ChR2-C128A和ChR-C128S。虽然这三种突变体各自具有
独特的特性，不过都具有一个共同的特点，那就是延长的传导态寿命（extended
conducting state lifetime），这样，只需使用短暂的光刺激就能获得比以往时间更
长的、可逆的细胞膜去极化状态了（membrane depolarization）。
Deisseroth希望他们接下来的工作能够进一步优化这些离子通道的特性。他说：“因为
有些离子通道变异体还有一个缺点，那就是相对野生型离子通道来说，它们的电流强度
较弱，因此，需要通过多重突变进行进一步改造，使它们的电流强度能恢复到野生型离
子通道所能达到的水平。”随后，他们还将研究如何改进ChR2离子通道在胞膜上的定位
技术，以及研究使用包括来自团藻（Volvox carteri）的对红光敏感的视紫红质离子通
道的复合视蛋白分子（composite of opsins），他们的实验室已经开始进行这些研究
工作了。
虽然还有其它的研究手段可以用于局部神经元刺激（localized neuronal stimulation
）研究，不过Deisseroth还是相信，他们的离子通道对于从事神经科学研究的科研人员
来说是最好的选择。“化学研究方法的确能得到非常漂亮的试验结果，但是对于大型哺
乳动物的神经系统来说，化学试剂和紫外光就不是那么好用了。”而且这些“特制的”
离子通道能致敏目的细胞（sensitize target cells）（这些“特制的”离子通道可以
进行反复地“开”和“关”操作，这样就能提高细胞的易兴奋性，即致敏，这样，那些
原本是潜伏的信号也能起到作用了），这也是野生型的离子通道做不到的，因此，我们
可以研究“真正的”神经细胞反应，而不再只是简单地通过外加的人为刺激来进行“人
造的”研究。这些离子通道变异体具有双稳态效应，能被短暂的光刺激激活，还具有致
敏效应。” Deisseroth补充道。
ChR2离子通道变异体的这些新特性会进一步扩展它们的应用范围，尤其是在那些需要
ChR2离子通道参与的持续性刺激（chronic stimulation）当中。使用低强度、短暂光
刺激来控制神经元的活化能减少组织的能量摄入量，因此能减少组织损伤，延长用于持
续性脑刺激的仪器（例如用于治疗帕金森氏症或抑郁症的脑刺激仪）电池的使用寿命。
Deisseroth还补充道：“任何长期的治疗手段，无论是临床治疗还是临床前治疗，无论
是用于刺激神经发育或是用于维持内环境稳态等，都将会因此而获益良多。”
尽管Deisseroth对他的发明充满了信心，不过他还是很清楚，自己必须克服技术上的障
碍，才能将这项发明应用于实际，神经科学家才能真正使用上这项新发明。“前途是非
常光明的，不过还有许多工作等着我们去做。”他说道。
参考文献：Berndt, A. et al. Bi-stable neural state switches. Nat. Neurosci.
advance online publication 8 December 2008.
Clark/编译 |
a*******1
发帖数: 8 | |
P*********o
发帖数: 14 | 39 光控离子通道的文章很多，综述也很多，不是一两句话就能说清楚的，要自己阅读研究。
但是归根结底也只是一项技术，需要你自己理解他运用它，去解决你自己的问题。不要
为技术而技术。 |
l**********1
发帖数: 5204 | 40 Deisseroth will give a lecture in UK Birmingham
at the International Union of Physiological Sciences (IUPS) conference
IUPS Wallace Fenn Lecture
11.45 - 12.45, Friday 26 July 2013
Optical deconstruction of fully-assembled biological systems
Karl Deisseroth
Stanford University, United States
Neuroscience
web link:
HTTP: //www.iups2013.org/scientific-programme/prize-and-keynote-lectures
University）的Karl Deisseroth等人与来自德国柏林洪堡大学（Humboldt University
of Berlin）的Peter Hegemann小组合作，得到了一种新的channelrhodopsin-2（ChR2
）光敏通道变异体，该光敏阳离子通道来自一种绿藻，它具有稳定的激活态和失活态（
即双稳态）两种状态，可以进行精细的“开、关”操作。
【在 A********e 的大作中提到】
: http://www.lifeomics.com/?p=19815
: 动力学双稳态的（Kinetically bi-stable）channelrhodopsin-2光敏通道变异体能够
: 对神经元细胞进行高敏感度的、逐步作用式的、可逆的光控调节。
: 光控刺激技术因其能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学
: 领域的研究状况。光敏离子通道（light-responsive ion channel）也被称作视蛋白（
: opsin），它是引领这场技术革命的大功臣。因为表达有视蛋白的神经元细胞能被特异
: 性地激活，所以科学家可以借此来研究神经元细胞之间如何进行沟通、交换信息，并可
: 以在此基础上进一步描绘出神经网络（neuronal network）。斯坦福大学（Stanford
: University）的Karl Deisseroth等人与来自德国柏林洪堡大学（Humboldt University
: of Berlin）的Peter Hegemann小组合作，得到了一种新的channelrhodopsin-2（ChR2
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发帖数: 5204 | 41 merci fyld 版大 哈
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: 对神经元细胞进行高敏感度的、逐步作用式的、可逆的光控调节。
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