光遗传学是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术,其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。
光遗传技术克服了传统只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，该技术是近几十年来,甚至是百年来神经科学领域的重大突破。医学的下一次革命性进展可能来自一个使神经细胞对光敏感的新技术---光遗传学。
随着光遗传学技术的飞速发展，在医学应用研究领域涵盖多个经典实验动物种系，并涉及动物大脑工作机制神经科学研究的诸多方面，包括神经环路基础研究、学习记忆研究、成瘾性研究、运动障碍、睡眠障碍、帕金森症模型、抑郁症和焦虑症动物模型等应用。
光遗传学的诞生
正如伟人所说，任何伟大的发明都不是一撮而就的，你必须站在巨人的肩膀上。2005年，来自斯坦福大学的Karl Deisseroth和Edward Boyden等人第一次将ChR2蛋白表达在了哺乳动物的神经细胞内，并发现蓝光可以准确地控制神经细胞的活动。
紧接着早2006年，美国韦恩州立大学华人科学家潘卓华教授团队开展了一项将ChR2蛋白表达于感光细胞退化的小鼠视网膜神经节细胞内，使其获得了编码光信号的能力。随后，潘教授团队使用光遗传学临床治疗失明，并于2015年成功拿到了美国食品与药品监督管理局（FDA）的临床试验批准，可在视网膜色素变性的患者身上，测试基于光遗传学的治疗方法。
光控制基因的新型疗法准备进入临床试验
近日，来自Circuit Therapeutics公司的研究人员通过对小鼠腿部的神经打结来使得小鼠对触碰产生过敏反应，但当研究者戳动小鼠脚并且照射黄光时，小鼠就不会产生反应。
这种疗法是一种近年来利用光遗传学进行临床使用的方法，光遗传学是利用光来控制基因的表达及神经冲动；今年3月份，RetroSense Therapeutics公司就开始利用光遗传学疗法进行首个临床安全试验来治疗视网膜色素变性。
很多科学家都期待这项临床试验的结果，以帮助他们进行后期的研究计划以及光遗传学的不同应用；来自华盛顿大学的研究者Robert Gereau说道，如果传来好消息的话或许会让很多研究者鼓足勇气继续深入研究下去，而且相关的临床试验还为阐明治疗神经性疾病的新型疗法提供了一定线索。
细胞生物学新研究利器
来自阿尔伯塔大学的研究人员开发出了一种使用光控制生物细胞水平的新方法。这种工具被称为光可切割蛋白（photocleavable protein）：PhoCl，也就是当暴露于光线时，蛋白会裂解开来，这样科学家们就能以新的方式来研究和操纵细胞内活性。
研究人员首先利用光可切割蛋白将细胞蛋白与抑制剂连接在一起，令其无法执行正常的功能，这个过程被称为锁定。研究人员表示，“（然后）通过将光照射到细胞中，我们可以使光可切割蛋白裂解，从而去除抑制剂，令细胞内蛋白解锁”，一旦蛋白被解锁，那么就可完成其在细胞内的正常功能。
研究人员解释说，光敏蛋白可以被用于研究任何活细胞的内部工作。例如，光遗传学工具广泛应用于激活小鼠的脑活动。“我们可以利用光可切割蛋白在实验室研究单个细菌，酵母，人类细胞，甚至整个动物，如斑马鱼或小鼠。不过首先需要将这些蛋白放入动物体内，因此我们简单地将这种蛋白的基因剪接成DNA，利用已有技术将其插入到细胞中。”
首次利用光遗传学控制肿瘤发生
在一项新的研究中，来自美国塔夫斯大学的研究人员基于青蛙模型首次证实利用光控制细胞之间的电信号，阻止肿瘤形成，以及在肿瘤形成后，让它们正常化。这项研究是首次报道利用光遗传学特异性地操纵生物电信号从而阻止癌基因诱导的肿瘤形成，和导致癌基因诱导的肿瘤消退。相关研究结果于2016年3月16日在线发表在Oncotarget期刊上。
利用光控制离子通道是一种突破性工具，它用于研究神经系统和大脑，但是光遗传学在此之前并未用于癌症。
应用于光遗传学的神经移植体
在一项新的研究中，来自德国弗莱堡市和瑞士巴塞尔市的研究人员开发出一种移植体，该移植体能够对特异性的神经细胞进行基因改造，利用光刺激来控制这些神经细胞，与此同时测量它们的电活性。这种新的工具为开展全新的神经学实验奠定基础。相关研究结果于2013年1月3日在线发表在Lab on a Chip期刊上。
在这项研究中，来自德国弗莱堡大学伯恩斯坦中心和微型系统工程部门以及瑞士弗雷德里希米歇尔生物医学研究所(Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research)的Birthe Rubehn和她的同事们描述了他们的移植体原型。他们报道他们将移植体原型注入到小鼠体内的初步实验是成功的，这样他们能够利用激光脉冲以一种受控的方式影响大脑中的神经细胞活性。
光遗传学让老鼠化身残忍杀手
来自耶鲁大学的Ivan de Araujo博士及其同事发现了大脑中两组控制小鼠猎杀行为的神经，一组协调追逐猎物，另一组则控制颈部和下颌的肌肉，两组神经都在杏仁核中，杏仁核是人体涉及动作、感情和恐惧的区域。
通过修饰这些神经，他们可以通过激光激活这些神经，这个技术就叫做光遗传学，研究团队因此能够在任何时候控制这些通路的开关。当激光关掉时，小鼠就正常行走在在笼子周围，一旦激光打开，小鼠就会狂乱地攻击它们路途中的任何事物：活蟋蟀、假昆虫甚至是树枝或者瓶盖。它们会扑到猎物上，用爪子抓住猎物并反复撕咬。
光遗传学工具新希望，光驱动钠离子通道KR2结构被解析
日本科学家在国际著名期刊《自然》发表学术文章称，他们解析出了光驱动钠离子通道蛋白KR2结构，为未来新一代的光遗传学工具创造了可能。科研工作者们解析了KR2在中性和偏酸环境中的结构，分别代表的是静息状态和中间状态的蛋白质结构。X衍射和光谱学数据显示，Asp116的翻转导致了席夫碱（这里是Lys225）的氢离子从离子通道中离开，从而有利于钠离子的通过。
研究人员还尝试了通过改造这个视紫红质分子，使其可以选择性转运钾离子。他们的工程改造蛋白并没有很好的选择性通过钠离子，然而却可以帮助中性分子和阴性分子的转运。通过这些研究，这种视紫红质可以作为新一代的光遗传学工具。
随着光遗传学的发展也激发了科学家更多的想法，使用这些光遗传学技术，能够，并直接演示神经元激活表现出的行为结果。该技术也极有可能未来下一次医学革命性进展。
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目前确认嘉宾：
曾绍群 教授 华中科技大学
陈忠 特聘教授 浙江大学
杜久林 研究员 中国科学院神经科学研究所
黄志力 特聘教授 复旦大学
鲁友明 教授 华中科技大学
罗敏华 研究员 中国科学院武汉病毒研究所
江洪 主任 武汉大学人民医院
杨弋 特聘教授 华东理工大学药学院、生物反应器工程国家重点实验室
熊志奇 研究员 中国科学院神经科学研究所
章晓辉 教授 北京师范大学认知神经科学和学习国家重点实验室
参考资料
1,光遗传应用技术.2013-06-11
2,Crick, Francis. "The impact of molecular biology on neuroscience." Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences 354.1392 (1999): 2021-2025.
3，Boyden, Edward S., et al. "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity." Nature neuroscience 8.9 (2005): 1263-1268.
4，Birthe Rubehn , Steffen B. E. Wolff , Philip Tovote , Andreas Lüthi and Thomas Stieglitz.A polymer-based neural microimplant for optogenetic applications: design and first in vivo study.Lab Chip.2013
5，Wenfei Han1, 2, 3, Luis A. Tellez1, 2, Miguel J. Rangel Jr.1, 2, 4, Simone C. Motta4, Xiaobing Zhang5, Isaac O. Perez1, Newton S. Canteras4, Sara J. Shammah-Lagnado6, Anthony N. van den Pol5, Ivan E. de Araujo1.Integrated Control of Predatory Hunting by the Central Nucleus of the Amygdala.Cell.2017
6,Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump.
7,Zalocusky KA1,2,3, Ramakrishnan C1,3, Lerner TN1,3, Davidson TJ1,3, Knutson B4, Deisseroth K1,3,5.Nucleus accumbens D2R cellssignalprior outcomes and control risky decision-making.Nature. 2016 Mar 31;531(7596):642-6. doi: 10.1038/nature17400. Epub 2016 Mar 23
8,Polosukhina A, Litt J, Tochitsky I, et al. Photochemical restoration of visual responses in blind mice. Neuron, 2012, 75(2): 271-82
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