Nature Methods十大技术：光遗传学的利与弊

Nature Methods杂志在十周年之际推出了纪念特刊，点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术，其中就包括光遗传学技术。本次特刊以“Optogenetics: the age of light”为题，回顾了光遗传学近期取得的新成果，探讨了这一技术中存在的一些问题。

　　

生物通报道：Nature Methods杂志在十周年之际推出了纪念特刊，点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术，其中就包括光遗传学技术。

我们可以毫不夸张地说，光遗传学技术给神经学带来了一场革命。现在，这一技术已经迅速成为了许多实验室里的标准工具。尽管光遗传学还不是一个家喻户晓的名词，不过它已经进入了科研领域的主流。越来越多的人相信，光遗传学技术不仅可以阐明疾病机理，还能够治疗多种人类疾病（比如与视网膜有关的疾病）。

随着光遗传学技术的广泛应用，人们开始认识到这一技术中的种种局限，而这又进一步刺激了光遗传学的发展。Nature Methods以“Optogenetics: the age of light”为题，回顾了光遗传学近期取得的新成果，探讨了这一技术中存在的一些问题。文章指出，要完全发挥光遗传学的潜力，人们还需要更好的探针和光递送策略，对结果进行更谨慎的解读。

光遗传学技术好在哪儿

用光读取和控制神经活性的好处很明显，这种技术是非侵入性的，能在精确的时空点上进行靶标，可以同时采用多种波长和位点，能报告特定分子的存在或活性。光遗传学这个名词，是遗传学靶标和光学检测的结合体。在信号读取方面，人们开发了高度敏感的探针，检测突触的释放、细胞内钙离子和膜电压。在神经元操纵方面，人们鉴定和优化了一系列激活和失活神经元的蛋白。（延伸阅读：光遗传学之父Science再发突破性成果）

光遗传学技术已经渗透到了神经学的每一个角落，研究者们不仅用它来研究大脑的基础功能，还在动物模型中探索疾病的发病机制。光遗传学的激活子和抑制子可以在同一个细胞内表达，这对于因果关系的建立特别有帮助。光遗传学抑制子的开发是近期最重要的进展之一。光遗传学技术能够将不同水平的神经系统功能关联起来，为行为和认知提供直观的解释。

在光遗传学领域，开发新探针是至关重要的。人们对光敏蛋白Channelrhodopsin及其突变体进行不断改造，开发了更利于双光子激发的C1V1、能在大脑深处或透过头盖骨激活的ReaChR。最近，研究者们还在高分辨率晶体结构的基础上，改造出了光遗传学抑制子。此外，人们也从自然界鉴定了一些抑制性的视蛋白，包括现在广泛使用的Arch15和最近发现的Jaws。在信号读取方面，出现了新一代的钙离子感应器（比如GCaMP6和Twitch）和电压感应器（QuasAr家族）。

光遗传学技术有什么问题

一些批评者认为，光遗传学激活子的标准用法存在瑕疵。首先，这样的刺激水平可能使神经元应答超出生理范围，而这一点又很难加以评估。在这种情况下，神经回路会出现不自然的变化，最后导致不正确的生理学结论。这个问题不仅限于激活子，抑制子也可能超出正常的作用范围。其次，光敏蛋白的表达和光照在神经元群体中并不均匀，结果是光遗传学操纵的量级和范围会出现异质性。另外，大范围光刺激同时作用在神经元群体上，可能使回路出现非生理性的活动模式。最后，传统光遗传学技术靶标特定遗传学背景的神经元群体，不能再选择性激活其中的亚群。现在，科学家们已经开始着手解决这些问题。

 

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在解读光遗传学实验的结果时，刺激的位点也会产生重要的影响。刺激表达光遗传学探针的轴突是一个常用的策略，不过直接用光刺激轴突boutons，会引起非生理性的神经递质释放，容易使人过高估计突触连接的影响。此外，直接对轴突进行光遗传学刺激，还可能引起逆行激活（antidromic activation），这个问题是很难控制的。

光遗传学技术的难点在哪里

解读光遗传学操纵的结果是比较困难的。此外，由于光遗传学探针的表达工具有限，目前的探针使用可能对目标产生干扰。这个问题对于光遗传学的临床应用尤为重要。对于哺乳动物的大脑研究而言，病毒还是光遗传学中的主要表达工具。然而，这些病毒的特异性、长期使用的毒性以及表达的稳定性，都存在着不小的挑战。目前已发表的研究大多没有很好的解决这些问题（只有少数例外）。举例来说，有研究显示不论是用病毒还是子宫内电击转染，长期高水平表达ChR2都会造成轴突形态异常。而这只是冰山一角。

这些研究让人们开始担心，光基因（optogene）表达对神经回路的干扰。为此，我们需要进行严格的解剖学和生理学控制。在光遗传学用于治疗人类疾病之前，我们必须开发更好的病毒体系，仔细评估病毒递送系统的长期安全性和有效性。

光遗传学技术的下一个十年

尽管光遗传学很给力，但它也不是万能的。跟所有新方法一样，它的局限性正逐渐为人们所知。我们在设计、实施和解读光遗传学实验时必须将这些信息纳入考虑。上文所提到的问题中，许多都能在“all-optical”方案中得到解决。这种方案是指，将激活子和感应器的表达结合起来，确保读取和控制的是同样的神经元。这是一个很大的挑战，首先高速光刺激和读取受到了硬件上的限制，另外现有探针的灵敏度和时间分辨率还不够。

然而，“all-optical”系统还不足以模拟体内的神经元活动模式。我们还需要在活体内对单个神经元进行研究。在活体内靶标单个神经元，需要非常精确的光调节和探针表达，以便在指定神经元生成可靠信号。在光学方法较难触及的大脑深处，这样的实验尤为困难。

光遗传学与神经学的联姻正在慢慢走出蜜月期。光遗传学研究中出现的技术和数据解读问题，刺激了新一轮的技术进步。我们可以满怀信心地说，下一个十年光遗传学将迎来更光明的未来。

 

生物通编辑：叶予

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