光遗传学

光遗传学，生物学研究中涉及的实验方法的结合光学而且遗传学在被设计用来控制的技术中诱发或抑制)明确的事件细胞活生生的动物组织．不同于以前开发的实验方法光在控制方面，光遗传学允许研究人员在自由活动的活体动物中利用光以惊人的精度和分辨率打开或关闭细胞(精确到单个细胞甚至细胞区域)。因此，它不仅可以用来控制动物的特定行为，如触发或阻止恐惧或疼痛反应，也因此推断出单个细胞对这些行为的贡献。

光遗传学是在2004年至2009年期间发展起来的。数千个实验室的研究人员在世界范围内随后开始使用光遗传学，成千上万的科学发现已经用这种方法发表——主要是在神经科学领域，但也在其他领域。事实上，光遗传学不仅被用于研究大脑还有心脏组织，干细胞，以及生物的发展。

光遗传学技术

光遗传学技术工作分为几个步骤。首先,特别基因从单细胞生物(例如，某些藻类而且细菌)被用来作为研究动物(通常是老鼠)特定行为的工具。这些单一的基因，被称为微生物视蛋白，产生蛋白质有感光功能离子通道或泵，激活或抑制通过引导电荷的运动而在电池中产生电流离子(例如，质子或氯离子)穿过细胞膜这是对光的反应。其次，先进的遗传学工具被用来将视蛋白基因定位到特定的细胞。靶向确保基因的产物(视蛋白)只在特定种类的细胞中产生。例如，大脑中没有靶向接收视蛋白基因的细胞将不会产生视蛋白;因此，非靶向的脑细胞将对直射光保持无反应。第三，先进的光学技术被用于将精确定时的光脉冲对准特定的组织区域或细胞。理想情况下，这是在实验对象进行感兴趣的行为时进行的。光脉冲刺激视蛋白基因，导致目标细胞产生电流。根据所用视蛋白的种类，电流是激活还是激活抑制目标细胞。然后，研究人员可以确定细胞中特定类型的电活动是否会产生感兴趣的行为，如果是，是如何产生的。

自然界中已经发现了许多微生物视蛋白，其中一些已经在实验室中进行了基因工程。科学家们还成功合成了新的视蛋白。工程和合成的视蛋白被设计成比自然产生的视蛋白更快或更慢，并且可能具有不同的离子电导特性或不同的颜色(光波长)响应性。自然产生的细菌视紫红质(将质子移出细胞)和自然产生的盐视紫红质(将氯移出细胞)离子进入细胞)是神经系统的抑制。这两种视蛋白都是泵(它们需要能量来推动离子对抗化学或电梯度)，它们产生的电流使其更难神经元开火。相比之下，自然产生的视紫红质通道——顾名思义，是通道(允许带正电的离子自由流过视蛋白孔)——通常是兴奋性的。

由于抑制性视蛋白通道是最快和最敏感的光控制手段，人们努力寻找或创造抑制性视紫红质通道。2012年，一个关键的突破出现了晶体结构得到通道视紫红质;对这种结构的了解使科学家能够设计视蛋白通道孔洞，以创建抑制性氯离子传导通道。生化控制(代替电气控制)也是可能的。从2009年开始，光遗传学被扩展到特定生化事件的控制，从而打开了任何类型细胞的光遗传学控制的大门。

光传递通常通过光纤接口实现，该接口可以针对大脑深层结构中的多种细胞类型(而不是单个细胞)。其他的光引导策略可以让单个细胞成为活体的目标，完整的哺乳动物大脑;这些方法基于先进的光学技术(例如全息技术和强激光)。然而，与针对大量单独指定的细胞相关的光功率要求可能是一个缺点。相比之下，光遗传控制细胞类型的最常用方法(例如，光纤接口)相对简单和廉价，并与遗传视蛋白靶向方法一起广泛使用，后者使用生物材料，如病毒使目标人群产生视蛋白。

光遗传学的应用

光遗传学方法已应用于行为和生理学方面的广泛问题，为运动、导航、学习、记忆、代谢、饥饿、口渴、呼吸、睡眠、血压、奖励、动机、恐惧和感官处理。也有临床启发的发现，有助于阐明与疾病相关的细胞活动，如癫痫，帕金森病，亨廷顿病，中风，慢性疼痛，强迫症，吸毒成瘾，抑郁症，社会功能障碍，以及焦虑．例如，光遗传学使得确定大脑中哪些细胞和连接在定义和组合焦虑的不同特征(包括呼吸频率变化和风险规避)为不同的行为状态方面起重要作用成为可能。光遗传学作为一种研究工具的出现也有助于动力到全国范围的大型脑研究项目，包括通过推进创新神经技术进行脑研究(Brain)倡议，是在美国在2013年。