2021年诺奖Z大的悬念：光遗传

      光遗传学(Optogenetics)是将遗传学与光学相结合的一种生物学研究技术方法，通过在神经细胞中表达光敏蛋白，响应不同波长的光刺激实现对神经功能的调控。2007年麻省理工学院评选光遗传为年度十大Z有影响的技术之一；2010年该技术入选Nature Methods年度方法（Method of the Year）和Science “十年突破（Breakthroughs of the Decade）。

       自2005年光遗传学问世以来，世界各地的近千个实验室都在使用光遗传学方法来研究、破解健康神经系统以及神经疾病背后的复杂网络。在讲好光遗传的故事之前，我们要把时间拉回到遥远的遗传学和荧光蛋白时代。

       1866年奥地利学者孟德尔根据他的豌豆杂交实验结果发表了《植物杂交试验》的论文，揭示了现在称为孟德尔定律的遗传规律，奠定了遗传学的基础。

      1953年沃森和克里克《自然》杂志上公开了DNA双螺旋结构，分子遗传学随后建立。科研人员开始通过基因改造的方式，编辑表达特定蛋白的基因片段。

      1962年，下村脩和约翰逊在一篇纯化水母素的文章提到从水母中发现了荧光蛋白（GFP），正式开启了生物发光研究的大门。在此之后，绿色荧光蛋白又被用到了病毒、酵母、植物、小鼠以及人类等各种生物身上。

      1993年，钱永健采用随机诱变的方式来改组GFP基因，先后改造出增强型绿色荧光蛋白，以及青色、黄色、红色等荧光蛋白。随后科学家们通过改造和筛选，获得了更强、种类更丰富的荧光蛋白来作为生物体的标记。荧光蛋白“照亮了生物学研究的未来”，也扩展了我们的视野；荧光蛋白Z典型、Z绚烂的研究莫过于脑虹（Braibow）。

 果蝇的脑虹：somewhere over the brainbow~

        脑虹让我们清楚看到了大脑内不同细胞交织在一起的绝妙画面，也带来了更深层的问题——这些细胞之间，是怎么互相作用的呢？在单个神经元细胞中，信息以电信号的形式传播。随着信号传导，细胞膜内外电位逆转，随之而来的还有大量钙离子内流。传统方法是用电极测量神经细胞上的电位变化，但这种方法缺陷十分明显，毕竟需要的器材多、能够观察的范围有限。有了荧光蛋白，科学家找到了解决的方法。在荧光蛋白上连接能够感应电压或者钙离子浓度变化的荧光蛋白，那么在神经元参加大脑活动的时候，它就会发出耀眼的闪光。

使用荧光蛋白和钙指示剂，斑马鱼的大脑活动如超新星爆发

       在经典的生物学实验中，控制神经细胞需要一些比较粗暴的手段：电刺激、切脑区、或者是加一些化学物质。这些手段费时费力不说，达到的实验效果也并不是那么尽如人意。荧光蛋白问世之后的十几年里，神经学家们一直梦想着：有朝一日能够以精确的时空精度控制神经元活动。

      2002年，斯隆凯特琳癌症研究中心的Gero Miesenböck教授率先尝试了这个大胆的想法，他把来自无脊椎动物的感光蛋白表达在大鼠细胞上，并在培养皿中看到了神经元响应光刺激！之后他又成功实现了利用光控制无头的果蝇扇动翅膀！Gero Miesenböck本人也被称为光遗传学的奠基人。

      2003年，Peter Hegemann发现了单个光敏通道蛋白ChR1和ChR2，促使科学家们开始尝试在哺乳动物细胞中表达光敏蛋白。ChR1和ChR2是一种光控的离子通道，能够响应光刺激进行胞内外离子转运，实现类似神经元活动的电位变化，还能够连接荧光蛋白使刺激过程可视化。

       2004年，Karl Deisseroth在斯坦福建立自己的独立课题组，聘请了一位博士生张峰（@大名鼎鼎的CRISPR/CAS9技术应用者张峰），开展了将藻类视蛋白导入脑细胞的研究。顺便提一下，2013年Karl实验室开发出的CLARITY水凝胶技术轰动了全世界。这项技术使研究人员能够用荧光标记物标记小鼠神经组织中的神经元，然后在不切片的情况下对整个小鼠大脑进行透明成像，同时保留荧光信号。

       2005年，Karl关于光遗传学的第一篇论文“Millisecond-timescale,genetically targeted optical control of neural activity”发表在《Nature Neuroscience》，这篇光遗传学的开山之作主要讲的故事是：通过在神经细胞中表达光敏蛋白，响应不同波长的光刺激实现对神经功能的调控。论文一作是Edward S Boyden，二作则是张锋。Karl课题组迅速发表了一系列光遗传学相关的CNS文章，从而推动了该领域的迅猛发展。自此，光遗传学的时代来临了。

      相比起传统的研究方法，光遗传学确实有着无可比拟的优点：只需向细胞内转入一个蛋白，操作性强；以光作为刺激媒介，具有高时效性；对实验动物的创伤远远小于传统方法，且非侵入组织；用定位的光纤来局部刺激细胞，也可以用弥散光大范围刺激脑区。在特定细胞环路表达光敏通道，再使用双光子显微镜活体观察动物神经系统活动，这也是Z近十几年Z大的科学突破之一。

       然而，光遗传学在还有着诸多局限性，大脑中的神经细胞种类可能远远超出我们的想象，即使两个相邻的同类型细胞，或许也会有完全不同的功能，仅仅对单个的神经元进行刺激，就可能改变大脑的状态和行为。以早期的光遗传技术来说，一方面神经细胞的轴突、树突互相交联，光敏蛋白的响应信号很容易就干扰到周边的神经细胞；另一方面，光技术也没有达到某一个细胞的精度。为了实现对单细胞的光刺激，近几年科学家们把关注点放在了开发单细胞光遗传技术。

       2017年麻省理工学院的研究团队在《Nature Neuroscience》发表了一项单细胞光遗传技术的文章，该团队通过结合新型光敏蛋白soCoChR与双光子计算机生成全息技术（CGH），成功提高了现有光遗传学技术的精确度，实现了对单个神经元的光敏操作，并将响应时间压缩至1毫秒内——这已经和真正的神经元活动相差无几。

       双光子计算机生成全息技术（two-photon CGH），达到了对时间和空间的精准控制，能够在照亮细胞的同时将照明时间Z小化，将响应时间降低到毫秒级。同时这种技术还支持3D成像，奠定了生成复杂模型的基础。使用这种单细胞光遗传技术，研究者可以精确刺激指定神经元，观察与其相连的细胞的反应；也可以刺激彼此相邻的几个神经元，看看它们是由哪一个主导，还是共同接受其他神经元的控制。这将会帮助人们真正理解思考、感觉和运动是如何发生的。

       光遗传学突出的技术优势，使得近十年来临床医疗研究者也在尝试利用非侵入性的光遗传学手段来各种疾病，例如嗜睡症、抑郁症、恐惧、焦虑、疼痛、帕金森综合症和失明等。这些尝试给“光疗法”赋予了全新的意义。但是将感光蛋白引入人体还需要非常谨慎，特别是很多精神疾病涉及的脑区很广泛，使用光遗传学很难刺激如此大的范围。目前，极少数的疾病如帕金森症以及失明在现阶段看来比较可行，因为所涉及的组织区域已明确而且是一个限定的区域。

       2015年，美国食品与药品监督管理局（FDA）批准了光遗传学失明的临床试验。长期以来，失明极其困难，临床上一直缺乏失明的有效方法。研究显示，人的大脑主要通过视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉5种感官接受外部信息，其中至少有80%以上的外界信息是通过视觉获取。因此，失去视觉对人来说是一件十分糟糕和可怕的事情，它不仅给失明者带来诸多生活上的不便，还会沉重打击失明者的精神信念。自FDA批准了光遗传学失明的临床试验后，光遗传学被寄予厚望。

       2021年5月24日，法国索邦大学、瑞士巴塞尔大学等单位的研究人员在《Nature Medicine》上发表了题为：Partial recovery ofvisual function in a blind patient after optogenetic therapy 的研究论文。这项研究显示，一位近40年前被诊断患有视网膜色素变性（RP）的盲人患者在接受光遗传学疗法后恢复了部分视力！他从完全失明到现在能够看到面前的笔记本、酒杯、较小的订书针盒，还能看清人行道斑马线。这是对神经退行性失明患者在光遗传疗法后获得功能恢复的S次报道；标志着光遗传学失明取得了突破性进展。

        2021年度拉斯克基础医学研究奖表彰了三位光遗传学先驱，他们一起开创了令人激动的光遗传学。Dieter Oesterhelt发现了一种古细菌蛋白质，它可以在被光照射时将质子泵出细胞；Peter Hegemann随后在单细胞藻类中发现了相关的通道蛋白；Karl Deisseroth利用这些蛋白创建了一个光触发系统，并将其应用在活体自由移动的动物身上，以破译迷宫脑回路中单个特定类别神经元的作用。

     光遗传做为一项注定要得诺贝尔奖的技术，通过在神经细胞中表达光敏蛋白，用不同波长的光刺激实现对神经功能的调控，无论是在科研还是临床方面都有着广阔的应用场景。2021年诺奖Z大的悬念：光遗传能否 PK mRNA疫苗 ，在今年就如愿所偿获得诺奖呢？