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「光遺傳學」只用一束光，就可以操控他人的意念
謝老師2023-08-25 02:30【 心理咨詢】人已圍觀
簡介心理咨詢室：“我要睡覺了，麻煩幫我關下燈。”“啪”，燈滅了，簡單快速又直接。作為地球上情感最豐富最復雜的生物，又何嘗不曾羨慕這樣一種簡單：說起就起的床，說做就
“我要睡覺了，麻煩幫我關下燈。”
“啪”，燈滅了，簡單快速又直接。
作為地球上情感最豐富最復雜的生物，又何嘗不曾羨慕這樣一種簡單：說起就起的床，說做就做的事，說停就停的悲傷，說放就放的愛……
想開心就開心，想難過就難過。一切就像按下一個開關那樣簡單，沒有猶豫，沒有拖延。
直到有一天，一群不被看好的科學家在一根神經元上裝上了“開關”，由此，開啟了人類精準操控大腦的新紀元。
用光來控制機體！就是光遺傳學！（實在是太cool了）
01.”Brainbow”---點亮大腦的“彩虹”
二十世紀六十年代的夏天，鱈魚角有個伍茲霍爾海洋生物站，這里聚集著一批心懷夢想的年輕科學家。在那個黃金年代里，他們白天做研究，夜晚把酒言歡，高談論闊。
誰剛剛有了新的進展，就會成為伍茲霍爾一時的“大明星”。有多火呢？火到撒個尿旁邊的人都會突然向你發問。
大西洋的海風溫暖，氣候溫和。伍茲霍爾的夜里，如同星辰墜入深海，成千上萬的水母發出幽幽綠光，夢幻般的點亮這里的大海。
海風，好酒，想象力與科研成果迸發式的出現的黃金時代，歡聲笑語，意氣風發。
這群人中有個叫下村修（Osamu shimomura）的日本科學家，他成天癡迷的望著伍茲霍爾發光的海。在月光下，海面漣漪，他開始捕撈海洋里的“星辰”心理咨詢協會。
年復一年。某個夏末，伍茲霍爾的學術報告廳里，所有的燈都已經關上，所有的呼吸都已經屏住，下村修從口袋中掏出試管。
試管里閃爍著幽幽熒光，就像窗外的大海一樣。下村修成功純化了水母的綠色熒光蛋白（熒光蛋白：顧名思義，能夠發出熒光的蛋白）把熒光蛋白的基因提出來后植入腦細胞，就可以讓腦細胞表達出熒光蛋白。換句話說，腦細胞從此有了“發光”的能力。
不同的熒光蛋白，讓腦細胞有了不同的色彩。這些多彩的熒光點亮了不同類型的神經元（也就是腦細胞），看起來就像大腦中的彩虹，Brainbow。
從此，每個腦細胞不僅能看的清清楚楚（因為被點亮了），而且還能根據植入蛋白的不同來區分不同的類型。我們終于可以更加清晰的區分清楚大腦中上百億個細胞。
02.用光來觀察腦細胞活動
在上一篇大腦半球特異化的文章里，我們知道大腦的不同區域控制了身體不同的活動。也就是說不同的腦細胞控制著不同的活動，不同的行為。打個比方來說，控制你大笑和控制你生氣的腦細胞——肯定不是同一群腦細胞。
怎樣把行為和細胞聯系到一起呢？
于是在“腦虹”的基礎上，科學家們想：可不可以用光來表示不同神經元活動的情況呢？
簡單粗暴的來說，就像一個信號燈一樣，如果出現了某種活動，燈就可以亮，沒有活動，燈就不亮。
還真可以！
我們已經知道，神經元的活動一定伴隨著電信號的“產生“。也就是說，如果一個神經元被激活，它就一定會”放電“。（高中生物預警）
神經細胞的膜電位變化時，細胞膜上鑲嵌的蛋白質分子就會改變形狀。這種隨著膜電位改變蛋白質結構的蛋白，我們稱之為電壓敏感蛋白。如果用基因工程的辦法，將電壓敏感蛋白與熒光蛋白連接起來，當細胞膜上的電位變化時，熒光蛋白也會隨之改變結構，從而發光的狀態會有所改變。
還有一種方法同樣也可以用光衡量神經元的活動：除了電信號之外，離子的活動也和神經元關系很大。
當神經元活動時，鈣離子就會流進細胞內。如果在細胞內植入鈣敏感熒光蛋白（一種只有遇到鈣離子才能發出明亮熒光的蛋白），當神經元活動時，鈣離子流進細胞內，就能夠與鈣敏感熒光蛋白結合，從而使活動的神經元發出明亮熒光。（如圖所示，不同的行為可以觀察到不同的神經元被點亮）
就這樣，我們終于把光和腦細胞的活動聯系到了一起。
03.用光來操控細胞
腦虹與光成像的技術讓我們清楚的看見了來自大腦內部，各式各樣的細胞交織在一起的絕妙畫面。也讓我們愈發的貪婪——有沒有什么辦法能夠操控神經細胞呢。
讓它活動它就活動，讓它安靜它就安靜那種？
還真真有！
這個問題的答案遠在天邊，近在咫尺——沒錯，就藏在我們的眼睛里。
眾所周知，眼睛是個感光器官——可以感受光的強弱，光的顏色。為什么眼睛可以做到這一點是因為我們的視網膜細胞膜上存在對光敏感的蛋白。
換句話說，光可以通過控制感光蛋白進而控制我們的視網膜。再換句話說，光，是我們視網膜細胞活動的開關。
時間進入21世紀。
2002年，杰羅·麥森伯克首先嘗試了這個設想。他把來自非脊椎動物的感光蛋白成功表達在了大鼠神經元上。
2006年，他進一步把感光蛋白表達在果蠅的肌肉細胞上，再把果蠅的頭粗暴的剪掉，這樣果蠅扇翅膀的運動就不能被自己的大腦控制。當他把光照射在無頭蠅身上時，奇怪的事情出現了!失去頭的果蠅竟然扇動了翅膀！用光來控制細胞的設想，成功了！
06年以后，屬于光遺傳學的時代真正來臨了。人們在多種模式動物身上，如果蠅，斑馬魚，小鼠……都使用光遺傳學做了很多有趣的事。
以小鼠為例（圖為植入光纖的鼠，來源：JOHN B CARNETT）
人們通過顯微注射＋微創光纖植入的技術，將光纖定位，精確的放置在想要控制的神經元周圍，從而利用光來控制小鼠的行為。
簡單來說，我們找到了神經元的開關系統——感光蛋白＋光。只要把感光蛋白植入想要控制的神經元，只要用電腦控制光源的開閉，頻率，我們就可以輕松的操控這只小老鼠。
舉一個筆者所在的實驗室做過的光遺傳學例子：
我們找到了和“母愛“這種行為有關的神經元。正常情況下，這種神經元會讓小鼠對幼崽做出類似舔舐的愛護行為。當利用光將“母愛”神經元關閉時，小鼠表現為暴躁的撕咬，啃噬幼崽。（這畫面太血腥） 而這兩種行為的改變，只發生在我們打開光源的瞬間。
（拍攝于北京CIBR，LiYing Lab，實驗幼崽）
（光遺傳學實驗現場，拍攝于北京CIBR, LiYing Lab）
04.光遺傳學可以做什么？
什么，都到這里了。你還沒有明白光遺傳學有多么令人激動嗎？（拍桌）
光遺傳學的出現，代表著人類可以真正意義操控大腦了。
試想一下，當你覺著某段記憶痛苦卻難以忘卻時，有個辦法可以幫助你把播放這段記憶的神經“關機”。
感到無法自主的調節情緒，長時間低落的時候，有個辦法可以操控你的大腦，幫你打開快樂的“開關”。
由于運動神經罷工而癱瘓的人，感覺神經罷工而失明的人……有個辦法可以幫助他們重新獲得健康的生活。
更令人激動的是，也許我們終于有辦法知道，記憶、情感、意識，它們究竟是什么。
而人類是否有機會將“意識”與“載體”分離，實現真正意義上的機械交互？這是神經科學在做的，也是這個時代想要知道的答案。
正如饒毅教授所說：Anything is possible!
（光遺傳學發展史，來源：饒毅公眾號）
截至目前，臨床醫療研究者嘗試采用非侵入性的光遺傳學手段治療各種疾病，例如嗜睡癥，抑郁癥，恐懼，焦慮，疼痛，帕金森和失明等。但是將感光蛋白植入人體仍需要技術上的穩定以及倫理上的定性。
現階段看來，只有帕金森和失明是臨床可以攻堅的區域。而阿茲海默也被證明利用光遺傳學可以恢復部分記憶。2015年，美國FDA已經批準了光遺傳學治療失明的臨床實驗。
參考文獻
1.光遺傳學，一項注定要獲諾貝爾獎的項目https://zhuanlan.zhihu.com/p/20860712?utm_source=wechat_session&utm_medium=social&utm_oi=661184557068587008
2.Zemelman BV, Lee GA, Ng M, et al. Selective photostimulation of genetically chARGed neurons. Neuron, 2002, 33(1): 15-22
3.Neuron: Delete memories? The future may be just that Doi: 10.1016 / j. euron. 2014.09.037
4.Cell: Optogenetics turns mice into ruthless killers Doi: 10.1016 / j.carol carroll ell. 2016.12.027
5.Cognitive neuroscience 3rd; Michael S.Gazzaniga
6. 神經科學-探索腦(第二版)
7. Psychology – Core Concepts, 7th Edition by Philip G. Zimbardo, Robert L. Johnson, Vivian McCann
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