《自然》2016热点技术—精准光遗传学

时间往回拨五年，2010年Nature Methods的年度技术就是光遗传学（optogenetic）。经过这么几年的发展，光遗传学已经在细胞分辨率水平上实现了对神经元的精准操控，从而为实现神经微解剖走出了第一步。

　　生物通报道：《Nature Methods》盘点2015年度技术，选出了最受关注的技术成果：单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）技术。 除此之外，也整理出了2016年最值得关注的几项技术，分别为：细胞内蛋白标记（Protein labeling in cells）、细胞核结构（Unraveling nuclear architecture）、动态蛋白质结构（Protein structure through time）、精准光遗传学（Precision optogenetics）、高度多重化成像（Highly multiplexed imaging）、深度学习（Deep learning）、亚细胞结构图谱（Subcellular maps）和综合单细胞图谱（Integrated single-cell profiles）。

时间往回拨五年，2010年Nature Methods的年度技术就是光遗传学（optogenetic）。光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的，他们将这项技术称之为Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遗传学)。经过这么几年的发展，光遗传学已经在细胞分辨率水平上实现了对神经元的操控，从而为实现神经微解剖走出了第一步。

在十年前光敏感通道ChR2（Channelrhodopsin-2）就被引入了神经生物学领域，这种强大的工具经证明不仅能用于刺激神经元，而且也能用作其它光遗传学工具。这些工具用途广泛，尤其适用于遗传定义神经元的表达，但科学家们需要的是更加详细的神经回路信息，因此还需进一步探索模式照明方式，操控神经元亚群活性。

几种方法能获得光照模式，比如快速扫描镜（fast scanning mirrors，生物通译），计算机生成全息模式都能作为空间光调制器。此外，照明方式也需要与神经元活性光学输出组合起来，但这并不容易，由于要求光遗传激活剂与活性传感器之间的光交流，因此需要多重优化。

近年来也取得了一些成果，如发表在Nature Neuroscience杂志上的一项研究表明，通过双光子激光，快速扫描镜对不同神经元进行归总和开启，可以实现接近同时的神经元照明。

还有来自伦敦大学学院的研究团队使用两种尖端技术发现了解大脑是如何工作的新途径，他们为了能够读出神经细胞的活动，基因编码神经细胞传感器使得其在激活时就能发光。同时为了能够控制神经细胞的活动，研究人员在这些神经细胞设计表达光敏蛋白，使得其能被光闪激活。

重要的是，这篇文章找到了一种方法可以同时激活多个脑细胞：通过全息技术，研究人员把一束光分成更小的子光束从而选择性靶向单个脑细胞。

在这两项研究中都采用了一种红移峰（red-shifted，生物通译）光遗传执行元件：C1V1减少绿色钙离子指示剂（报告神经活性）之间的光交流。此外，在无行为动物中，纤维内窥镜（fiberscopes）也可以通过传递单光子照明实现相同的模式。

细胞分辨率水平的光遗传学未来将能促进我们对多种神经元亚群分类和功能的了解，不过这些方法迄今为止只能在单一二维平面上刺激神经元，而神经元实际上是在大脑三维环境中进行交流和完成功能的。将光遗传学扩展在三维空间，也许就能打开神经元功能研究的另一扇大门。

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参考文献：

Simultaneous cellular-resolution optical perturbation and imaging of place cell firing fields

Simultaneous all-optical manipulation and recording of neural circuit activity with cellular resolution in vivo

Spatially Selective Holographic Photoactivation and Functional Fluorescence Imaging in Freely Behaving Mice with a Fiberscope