用一束光，控制大腦

一只小鼠來到一只新籠子里，正在好奇地到處探索。它的頭上接著一根光纖。突然，光纖上一道藍光閃過，小鼠好像想起了什么可怕的事情，恐懼地縮成一團……這不是科幻電影中的場景，而是真實地發(fā)生在美國麻省理工學院的一個生物實驗室中。研究人員的工作，就是試圖用光控制小鼠的大腦，操縱它的記憶。

為什么要給大腦“開燈”

如果你打算做一項小研究，比如看看光照對植物的作用，那么可以種兩株種類相同的植物，一株每天有光照，另一株永遠生長在黑暗環(huán)境里，然后觀察它們的生長情況有什么差別。真正的科學家所做的工作也類似，他們想研究一段基因、一種環(huán)境因素或是一類細胞（比如叫作神經元的細胞），就會試著在其他條件不變的情況下，精確地改變待研究的因素，并觀察結果。

不過，想要用這種策略研究大腦十分困難。原因是，大腦太復雜了！人腦有數(shù)千億個神經元，而每個神經元又可以和成千上萬的同伴相連，并通過電流傳遞信息，就像一根根電線交織而成的超級電網。我們的記憶、認知、感情、學習能力、語言能力和意識，都深深地埋藏在這幾千億個神經元和相互之間的連接里。

神經生物學家常常用電極或藥物來控制神經元，觀察它們的活動。但想要精確地刺激一小塊腦組織，或者把執(zhí)行某個功能的同類神經元“一網打盡”，用以前的方法都很難完美地實現(xiàn)。

在這種情況下，神經生物學家想到了一種工具——光。

給大腦裝上“眼睛”

眼睛為什么能看到光？這是因為視網膜上有一群可以感知光的蛋白質。當光線射入眼睛以后，光子可以“敲開”這些蛋白質，隨后產生的一系列復雜的變化讓細胞可以放電，并把電信號一直傳遞到大腦。換句話說，這些感光蛋白可以把光能轉化成電能，原理類似于太陽能電池板以及數(shù)碼照相機中的感光板。如果把感光蛋白裝進腦中的神經元，不就相當于給神經元裝上了眼睛嗎？

除了視網膜中有感光蛋白，生物學家在細菌、水藻等微生物中也找到了多種感光蛋白。他們還把一種病毒改造為“運輸大隊”，讓改造過的病毒把那些感光蛋白的基因帶進神經元，從而給神經元裝上了“眼睛”。科學家管這種技術叫作光遺傳學。

控制神經元的開關

更棒的是，神經生物學家還能把感光蛋白“綁定”到一小部分特定的神經元身上。比如，給小鼠腦中負責存儲恐懼記憶的神經元裝上感光蛋白。當一陣光閃過，這些“恐懼神經元”被激活，小鼠如同遭受電擊，憑空產生了恐懼的感覺，嚇得一動不動——這就是文章開頭那只小鼠的故事。

除了可以“打開”神經元的感光蛋白，美國斯坦福大學的科學家還找到了一種感光蛋白，可以反過來抑制神經元活動。裝配了這些蛋白的神經元遇到光信號后，原本正積極放電，會立刻偃旗息鼓，安靜下來。這兩種蛋白就好像是開關，可以讓科學家方便地打開或關閉想要研究的神經元。

照亮未來的光遺傳技術

光遺傳學出現(xiàn)還不到十年，科學家已經能在很多動物身上應用這種技術了。只需要一束精確控制的激光，他們就能控制線蟲游泳、排卵，或是產生被撫摸的感覺，就能讓本想接近雌性果蠅的雄性果蠅落荒而逃，甚至還能讓染上毒癮的小鼠厭惡毒品，能制造和刪除小鼠的記憶。借助這種方法，科學家打開了一盞新的燈，讓它照亮黑暗森林中神秘的神經元網絡，發(fā)現(xiàn)了很多新的神經功能原理。

除此之外，光遺傳學也有可能在未來治療腦部疾病。例如，癲癇患者發(fā)作的時候，大腦中一些神經元會過分活躍。腦電圖記錄顯示，病人在癲癇發(fā)作前，神經元正穩(wěn)定而有節(jié)奏地活動，就像不同樂部在合奏一曲交響樂；當癲癇發(fā)作，就像所有的音樂家突然不顧樂譜，開始用最大的音量胡亂演奏。這時，如果有光遺傳學的“開關”抑制這些失控的神經元，就能緩解癲癇的癥狀。2013年，美國加州大學的科學家就嘗試著在實驗動物身上用光遺傳學治療癲癇。在給小鼠大腦轉入對光敏感的一個基因后，只要用光一照，這些小鼠的癲癇發(fā)作會立刻停止。

利用光控開關還可以修改記憶，這也可能幫助治療某些和記憶有關的疾病。創(chuàng)傷后壓力綜合征的患者往往經歷過極其可怕的事件（比如戰(zhàn)爭和自然災難），并在很長時間里難以自拔，出現(xiàn)了很多精神癥狀。如果用光遺傳技術減輕他們對災難的記憶，就有可能緩解壓力癥狀。還有一些科學家正在想辦法把光遺傳學用于帕金森病和阿爾茨海默癥等腦病。

為了讓光遺傳學更好地發(fā)揮作用，科學家還在繼續(xù)改進感光蛋白的敏感度。他們用化學方法修改現(xiàn)有的感光蛋白，這樣只要有很微弱的光，就可以產生很顯著的反應。當然，如果想用這種技術治療人類疾病，科學家還需要讓相關的技術變得更可靠。畢竟，在沒有足夠保障時去改變人的大腦，可不是一個讓大家放心的主意。