光遺傳學（optogenetics）是結(jié)合了光學（optics）及遺傳學（genetics）的技術，借助其，我們能在活體動物甚至是自由運動的動物腦內(nèi)、脊髓、外周神經(jīng)內(nèi)，精準地控制特定種類神經(jīng)元的活動。光遺傳學在時間上的精確度可達到毫秒級別，在空間上的精確度則能達到單個細胞級別。2010年，光遺傳學被Nature Methods選為年度方法，同年被Science認為是近十年來的突破之一。這項技術目前在神經(jīng)科學領域應用非常廣泛，未來可能會應用于多種神經(jīng)和精神疾病的治療，如帕金森氏病、阿爾茨海默病、癲癇、脊髓損傷、精神分裂癥等。

一、光遺傳學技術發(fā)展史
談及光遺傳學技術的由來，我們不得不思考神經(jīng)科學的基本研究需求：精確控制神經(jīng)元活動。1979年，諾貝爾獎得主Francis Harry Compton Crick首次提出，為了解大腦如何運作，我們需要一種方法，可以每次只讓某一特定類型神經(jīng)元活動被抑制，而不影響其他神經(jīng)元的活動。為了實現(xiàn)這個目標，人們過去通常采用電刺激來激活一群神經(jīng)元活動，但其具有兩大難以克服的缺點，其一在于該操作的非選擇性，即電場會同時刺激多種類型神經(jīng)元，所得出的研究結(jié)果往往缺乏特異性，其二是只能激活而無法抑制神經(jīng)元活動。隨著基因工程技術的發(fā)展，科學家開始利用化學藥物聯(lián)合轉(zhuǎn)基因技術來精確定位特定的神經(jīng)元并進行相關研究，盡管解決了特異性問題，但是化學刺激的方法在時間上的精確度缺乏保證。因而，一種高精確性，能夠激活或抑制特定種類神經(jīng)元活動的方法成為研究的“剛需”，光遺傳學技術正解決了此問題。

早在1973年，微生物學家便發(fā)現(xiàn)細菌視紫質(zhì)（Bacteriorhodosin）光照之后會成為離子轉(zhuǎn)運蛋白，1977年發(fā)現(xiàn)鹽細菌視紫紅質(zhì)（Halorhodopsin，NpHR）也是離子轉(zhuǎn)運蛋白，照黃綠光后會將氯離子流入細胞，2002年發(fā)現(xiàn)光敏感通道（Channelrhodopsins），藍光照射之后會將陽離子打進細胞。

2005年9月份，斯坦福大學的Karl Deisseroth實驗室在Nature Neuroscience上發(fā)表了一篇Technical Report，第一次將Channelrhodopsin-2（ChR2）表達在神經(jīng)元里，發(fā)現(xiàn)可以用藍光精確地控制神經(jīng)元的活動，而光遺傳學（optogenetics）一詞也隨之出現(xiàn)。隨后發(fā)現(xiàn)Bacteriorhodosin與Halorhodopsin也都能在神經(jīng)元表達，準確調(diào)控神經(jīng)元的活動，并不會對神經(jīng)元產(chǎn)生毒害作用。此后，光遺傳學迅速改變神經(jīng)科學界，成為研究特定神經(jīng)元在大腦中扮演何種角色不可或缺的工具。

二、光遺傳學技術基本原理
簡單地說，光遺傳學技術即借助遺傳學手段，將能夠?qū)馄痦憫耐ǖ赖鞍妆磉_在特定細胞中，實現(xiàn)通過光來激活或抑制神經(jīng)元活動的目標。其中，激活或抑制的原理在于不同通道對陽離子或陰離子的通透：如果轉(zhuǎn)入細胞的通道是ChR通道，那么在細胞接受藍色激光照射時通道開放，陽離子內(nèi)流，會產(chǎn)生去極化電位，誘發(fā)動作電位的發(fā)出，激活細胞；如果轉(zhuǎn)入細胞的是HR一類通道的話，細胞接受黃色激光照射時陰離子內(nèi)流，產(chǎn)生超極化電位，導致動作電位不易發(fā)放，抑制細胞活動；此外，還有一類光激活或抑制的通道optoXR，給光激活后其改變的是胞內(nèi)激酶系統(tǒng)，影響細胞活動。因此，光遺傳學技術的核心技術差異在于光敏感通道的選擇。

常見的光敏感通道：

三、光遺傳學技術的應用策略
借助病毒載體的光遺傳學技術應用一般包括以下幾個關鍵步驟：
1、 根據(jù)實驗需求尋找合適的光敏蛋白；
2、通過病毒載體感染細胞，將光敏感通道表達在靶細胞中；
3、手術手段向腦中導入光纖，通過控制激光來實現(xiàn)對神經(jīng)元活動的精準控制；
4、選擇合適的病毒表達時間，結(jié)合行為實驗設置合理的試驗方案；
5、行為學手段或電生理手段驗證