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? ? ?大家好！我是大腦的主人神經(jīng)元君，今天我要給大家介紹下如何控制大腦。?
大腦作為人體的司令部，控制著我們的一言一行。如果我們能夠控制人的大腦，我們就可以改變?nèi)说乃季S，控制人的行為了?？此撇豢蓪?shí)現(xiàn)的想法，科學(xué)家們早已經(jīng)邁出了第一步。他們不需要咒語，不需要魔杖，只需要通過一束光，就可以讓你的思維發(fā)生變化。這可不是什么天方夜譚的魔術(shù)哦，這項(xiàng)高大上的新興技術(shù)叫做光遺傳學(xué)（ Optogenetics ）！?
神經(jīng)元君和他的實(shí)驗(yàn)室 ?????
光遺傳學(xué)就是用特定的光作為控制信號(hào)，用遺傳學(xué)的方法在大腦中安裝一個(gè)光控的開關(guān)。當(dāng)光一打開，大腦中的開關(guān)就打開了，大腦的某項(xiàng)功能就開始運(yùn)作。這個(gè)開關(guān)可以安裝在大腦的不同的部位，負(fù)責(zé)不同的功能。就像我們家里的遙控器，我們可以用紅外光控制電視的打開，也可以用它控制空調(diào)的開關(guān)。?
給大腦裝上光控開關(guān)假想圖?
這種光控開關(guān)其實(shí)是一種光敏感通道蛋白（ Channelrhodopsin-2 ，簡稱 ChR2 ）。這種蛋白質(zhì)可以“看到”藍(lán)光，當(dāng)這些蛋白質(zhì)“看到”藍(lán)光時(shí)，形狀就發(fā)生變化，變成一個(gè)可以讓離子通過的通道。在我們神經(jīng)元的周圍有很多帶正電的離子，當(dāng)藍(lán)光照射時(shí)，這些陽離子就會(huì)通過光敏感蛋白通道流進(jìn)細(xì)胞的身體內(nèi)。這些離子就像興奮劑一樣，迅速地讓神經(jīng)元興奮起來。這樣，神經(jīng)元們就可以像燈泡一樣被打開或者關(guān)閉，這就相當(dāng)于給神經(jīng)系統(tǒng)裝上的光控開關(guān)。?
下面是光敏感通道蛋白的工作原理，請看動(dòng)圖:
光敏感通道蛋白工作原理動(dòng)圖?
這樣，光就成了神經(jīng)元們的指揮棒了。通過藍(lán)光激活光感受蛋白并使神經(jīng)元興奮，進(jìn)而控制大腦。這就是光遺傳學(xué)的原理。?
這么巧妙的想法是誰發(fā)明的呢？當(dāng)然是我們的大自然了。?
其實(shí)在我們神經(jīng)元家族中，有位兄弟可以看到光，而且可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將信息傳遞到大腦。它就是眼睛里的光感受器細(xì)胞，在這位仁兄身體中有一種能夠感光的蛋白質(zhì)，叫做視紫紅質(zhì)（ Rhodopsin ）。正是因?yàn)檫@個(gè)可以感光的開關(guān)，感受器細(xì)胞就可以受光的控制。?
下面兩幅圖分別展示的是視網(wǎng)膜中的光感受器細(xì)胞及其特有的視紫紅質(zhì)。是不是很炫酷的樣子！
光感受器細(xì)胞和視紫紅質(zhì) ?????
而在大腦中的神經(jīng)元們，并沒有視紫紅質(zhì)，所以它們看不見光，也不會(huì)受到光的控制。幾百年來，科學(xué)家們苦苦尋找控制神經(jīng)元的方法，雖然他們可以通過電流刺激神經(jīng)元，或者通過藥物殺死神經(jīng)元來控制它們的活動(dòng)，但是那些方法都太恐怖了。?
直到有一天，一位年輕的美國小伙，將眼睛看東西的原理應(yīng)用到了大腦中的神經(jīng)元中。他將光敏感的蛋白安裝到大腦的神經(jīng)元，這就相當(dāng)于給大腦中的神經(jīng)元裝上了眼睛。從此以后，大腦中的神經(jīng)元就看到了更加美麗多彩的世界，腦科學(xué)家們也進(jìn)入了另外一個(gè)研究的新時(shí)代。?
下圖就是那位天才科學(xué)家，來自美國斯坦福大學(xué)的 Karl Deisseroth 教授。據(jù)說，他現(xiàn)在又在研究一項(xiàng)黑科技，目的是將大腦變透明，以方便科學(xué)家們更好地觀察大腦。?
Karl Deisseroth 教授發(fā)明了光遺傳學(xué)技術(shù)?
他到底是怎么做的呢？那就讓我?guī)銈冏哌M(jìn)實(shí)驗(yàn)室，近距離地觀察下這項(xiàng)高精尖技術(shù)吧。?
大家看，這家伙就是我們的科研明星小鼠，別看它萌萌噠，控制好它可不是件容易的事情。一般來說，用光遺傳學(xué)方法控制小鼠包括四個(gè)步驟：?
首先，我們需要通過遺傳學(xué)的方法將光敏感通道蛋白表達(dá)在大腦的神經(jīng)元里。我們可以通過利用已經(jīng)表達(dá)有光遺傳通道蛋白的轉(zhuǎn)基因小鼠，當(dāng)然也可以通過病毒注射的方法將這種蛋白表達(dá)在神經(jīng)元上。?
下圖你看到的是一只小鼠在做美夢的時(shí)候，被轉(zhuǎn)入了光敏感通道蛋白。?
光遺傳學(xué)基本操作步驟一?
之后我們還需要將藍(lán)光光纖插入到小鼠的特定腦區(qū)。我們知道，大腦的不同腦區(qū)負(fù)責(zé)不同的功能。例如，后腦勺的枕葉負(fù)責(zé)視覺，耳朵附近的顳葉負(fù)責(zé)聽覺。所以，我們用藍(lán)光激活不同腦區(qū)的神經(jīng)元時(shí)，就會(huì)開啟大腦不同的功能。
光遺傳學(xué)基本操作步驟二?
? ? 然后，我們打開藍(lán)光，神經(jīng)元上的光敏感通道被打開，神經(jīng)元就會(huì)興奮，神經(jīng)元通過電信號(hào)控制身體的運(yùn)動(dòng)。
光遺傳學(xué)基本操作步驟三?
最后，我們觀察小鼠在給光和不給光時(shí)行為的變化，就知道小鼠如何被我們控制了。?
光遺傳學(xué)基本操作步驟四?
現(xiàn)在我們知道了光遺傳學(xué)通過光能夠激活神經(jīng)元進(jìn)而控制大腦的活動(dòng)。那么這項(xiàng)技術(shù)到底有什么用途呢？那就仔細(xì)觀察下面這個(gè)視頻吧。
David J. Anderson 教授通過光遺傳學(xué)的方法控制小鼠打斗 ?????
我們看到，小鼠在燈光打開的時(shí)候，開始瘋狂地打斗，而燈光一關(guān)閉，它們就馬上恢復(fù)了正常。這就是科學(xué)家們利用光遺傳學(xué)的技術(shù)控制小鼠打斗的例子。?
當(dāng)然，科學(xué)家們不只是為了讓小鼠打斗，他們通過這種方法，研究了負(fù)責(zé)小鼠打斗行為的腦區(qū)，為我們理解大腦的運(yùn)作機(jī)理提供了有力證據(jù)。光遺傳學(xué)技術(shù)促進(jìn)了我們對大腦功能的理解，幫助我們了解特定神經(jīng)元與行為的關(guān)系。?
光遺傳學(xué)技術(shù)不僅在科學(xué)研究上大放異彩，在治療神經(jīng)類疾病時(shí)，也展現(xiàn)了巨大的潛力。?
最直接的應(yīng)用之一就是治療由于視網(wǎng)膜病變引起的視力下降。光遺傳技術(shù)又回到了自己的老家——眼睛里。來自美國麻省理工學(xué)院的 Ed Boyden 教授在用光遺傳學(xué)技術(shù)治療眼疾方面做出了杰出貢獻(xiàn)。在視網(wǎng)膜退化的小鼠模型里，他們試圖將光敏感通道蛋白表達(dá)在本來不感光的雙極細(xì)胞中。這樣，當(dāng)視網(wǎng)膜中能夠感光的光感受器細(xì)胞退化后，大腦仍然可以利用雙極細(xì)胞來看到外面的世界。
視網(wǎng)膜退化致盲小鼠模型示意圖?
當(dāng)然，這個(gè)想法不會(huì)只停留在治療眼盲小鼠上，科學(xué)家們已經(jīng)想到通過光遺傳學(xué)和現(xiàn)代電子成像技術(shù)治療人類眼科疾病的方法。
通過光遺傳學(xué)方法治眼疾的眼鏡假想圖?
有了這項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，我相信不久的將來，例如抑郁癥、老年癡呆癥等等這些疾病，都會(huì)被治好的。而且一旦科學(xué)家們可以有效地控制大腦，那么很多有關(guān)大腦的未解之謎也將一一被揭秘。
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