光遗传学

光遗传学是一种利用光来控制神经元或其他细胞类型活动的生物技术。 这是通过在靶细胞中特异性表达光敏离子通道、泵或酶来实现的。 在单个细胞水平上，光激活酶和转录因子可以精确控制生化信号通路。 在系统神经科学中，控制一组基因定义的神经元活动的能力已被用于了解它们对决策、学习、恐惧记忆、交配、成瘾、进食和运动的贡献。 在光遗传学技术的xxx个医学应用中，一位失明患者的视力得到了部分恢复。

还引入了光遗传学技术来绘制大脑的功能连接图。 通过用光改变基因标记的神经元的活动，并使用成像和电生理学技术记录其他细胞的活动，研究人员可以确定细胞和大脑区域之间的统计依赖性。

从广义上讲，光遗传学还包括使用基因编码指标记录细胞活动的方法。

2010 年，跨学科研究期刊《自然方法》将光遗传学选为所有科学和工程领域的年度最佳方法。 与此同时，光遗传学在学术研究期刊《科学》的“十年突破”一文中得到了强调。

1979 年，弗朗西斯·克里克 (Francis Crick) 提出，控制大脑中一种类型的所有细胞，同时让其他细胞或多或少保持不变，这对神经科学来说是一个真正的挑战。 弗朗西斯·克里克推测，一种使用光的技术可能有助于以时间和空间精度控制神经元活动，但当时还没有使神经元对光做出反应的技术。

到 1990 年代初期，LC Katz 和 E Callaway 已经证明光可以释放谷氨酸。 Heberle 和 Büldt 在 1994 年已经展示了酵母中光激活离子流的细菌视紫红质的功能性异源表达。 1995 年晚些时候，Georg Nagel 等人。 和 Ernst Bamberg 尝试了微生物视紫红质（还有细菌视紫红质以及非神经系统中的非洲爪蟾卵母细胞）的异源表达（Nagel 等人，1995 年，FEBS Lett.）并显示了光诱导电流。

2002 年 1 月，Boris Zemelman 和 Gero Miesenböck 报道了最早使用光来控制视紫红质敏感神经元的基因靶向方法，他们使用果蝇视紫红质培养哺乳动物神经元。 2003 年，Zemelman 和 Miesenböck 开发了第二种光依赖性激活神经元的方法，其中单个离子通道 TRPV1、TRPM8 和 P2X2 由光笼配体门控以响应光。 从 2004 年开始，Kramer 和 Isacoff 小组与 Trauner 小组合作开发了有机光开关或可逆笼状化合物，它们可以与基因引入的离子通道相互作用。 TRPV1 方法虽然没有照明触发，但随后被几个实验室用于改变实验动物的进食、运动和行为恢复力。 然而，基于光的改变神经元活动的方法并没有在原始实验室之外应用，这可能是因为此后不久就克隆了更容易使用的视紫红质通道。

Peter Hegemann 在雷根斯堡大学研究绿藻的光反应，他发现光电流太快，无法用经典的 g 蛋白偶联动物视紫红质来解释。 他们与法兰克福马克斯普朗克研究所的电生理学家 Georg Nagel 合作，证明来自藻类衣藻的单个基因在青蛙的卵母细胞中表达时会产生大的光电流。 为了识别表达细胞，他们用荧光蛋白 YFP 取代了藻类蛋白的细胞质尾部，从而生成了xxx个普遍适用的光遗传学工具。 他们在 2003 年的论文中指出，ChR2 在卵母细胞或哺乳动物细胞中的表达可用作增加细胞质 Ca2+ 浓度或使细胞膜去极化的强大工具，只需通过光照即可。

斯坦福大学生物工程系的 Karl Deisseroth 于 2004 年 7 月上旬发布了他最初实验的笔记本页面，显示了表达通道视紫红质的神经元的光激活。 2005 年 8 月，他的实验室工作人员，包括研究生 Ed Boyden 和 Feng Zhang，与 Georg Nagel 合作，使用来自 Nagel 的 channelrhodopsin-2(H134R)-eYFP 结构在神经元中发表了单组分光遗传学系统的首次演示 和黑格曼。