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光遺傳

光遺傳通常是指結合光學與遺傳學手段，精確控制特定神經元活動的技術。斯坦福大學Diesseroth實驗室2007 年發表在《自然》(Nature)上關於光控制神經迴路的文章，被麻省理工學院技術綜述評為該年度十大最有影響的技術之一。2010年該技術入選Nature Methods 年年度方法（Method of the Year）”，Science雜誌“十年突破（Breakthroughs of the Decade）”。

光遺傳定義

該技術利用分子生物學、病毒生物學等手段，將外源光敏感蛋白基因導入活細胞中，在細胞膜結構上表達了光敏感通道蛋白；然後通過特定波長光的照射，控制細胞膜結構上的光敏感通道蛋白的激活與關閉；光敏感蛋白的激活和關閉可控制細胞膜上離子通道的打開與關閉，進而改變細胞膜電壓的變化，如膜的去極化與超極化。當膜電壓去極化超過一定閾值時就會誘發神經元產生可傳導的電信號，即神經元的激活；相反，當膜電壓超極化到一定水平時，就會抑制神經元動作電位的產生，即神經元的抑制。神經元生物學家經常運用這種技術，通過光學方法無損傷或低損傷地控制特異神經元的活動，來研究該神經網絡功能，特別適用於在體、甚至清醒動物行為學實驗。

同時，利用類似的光學與遺傳學手段，可控制腦細胞外其它細胞中的蛋白表達，從而實現光誘導蛋白質表達，啓動細胞內生物學過程，進而控制生物行為。因此光遺傳技術在生命活動與疾病研究中應用廣泛。

光遺傳1.活化神經元的光遺傳學工具

在特定波段光的激發下，誘導光敏感蛋白的激活，促使神經元細胞膜去極化的工具即為活化神經元的光遺傳工具。其中，典型的用於激活神經元的光敏感通道蛋白ChR2（channelrhodopsin），最早從萊茵衣藻中發現，後經人為突變、修飾，改造成能適用於哺乳動物細胞、表達穩定對細胞無毒的工具。該蛋白在藍光（最大激發峯在470nm波長附近）的激發下會誘導陽離子通道的打開，促使神經元的去極化，進而誘發動作電位，激活神經元。如圖1左側圖示。

光遺傳2. 抑制性神經元光遺傳工具

（optogenetics for inhibition of neuronal activity）

在特定波段光的激發下，誘導光敏感蛋白的激活，促使神經元細胞膜超極化的工具即為抑制神經元的光遺傳工具。其中典型的抑制神經元活動的光敏感蛋白NpHR（鹽系菌視紫紅質），最早從嗜鹽鹼菌裏發現，NpHR在黃綠光（最大激發峯在590nm波長附近）的激發下會誘導氯離子通道的打開，氯離子內流造成神經元的超極化，從而抑制神經元動作電位的產生；當然還有在蘇打鹽紅菌裏發現的Arch（古紫質），它在黃綠光（最大激發峯在566nm波長附近）的激發下會誘導質子的外流，從而產生超極化信號，抑制神經元的活動。如圖一右側圖示。