用于光与大脑研究的小鼠。图片来源：斯坦福光遗传学研究中心
编者按：在光遗传学，神经科学这一全新的领域诞生前，时代的弄潮儿陆续登场。最早可追溯到上世纪60年代，研究者将神经元的电信号变成光信号，从而在显微镜下可被观测，但对单个细胞或者特定细胞而言，该方法显得力不从心。
随着下村修在水母中分离了绿色荧光蛋白，马丁·查尔菲和钱永健进一步把绿色荧光蛋白表达在其他生物细胞中，人们发现将该蛋白转入特定的神经细胞可使细胞呈现不同的颜色。2005年，数名斯坦福大学天才科学家率先利用体外细胞表达单个光敏离子通道，使其在光下可控。光遗传学终于找到了物理学、光化学以及生物学的结合点，光遗传学的时代来临了。
人们常把人脑与电脑相比，因为两者都是由大量的基本元件构成：大脑里有数百亿个神经细胞，计算机里面有数亿个晶体管。大脑和计算机中，基本元件之间都互相连线构成巨大的网络，在网络中，它们利用电信号快速传递着海量信息。神经科学家怎样通过测量大脑中的信息流，来了解大脑的功能呢？传统的方法是用电极测量神经细胞上的电信号，这就像电话窃听器一样，以此来了解它们是怎样工作的，这个方法也叫“电生理”。
虽然该方法已在历史上延用百年，但缺点也很明显：在一个含有数亿个神经细胞互动的过程中，只测量其中几个神经细胞活动，就好像试图通过电视屏幕上几个像素的闪烁来猜测一个电视剧的内容。
光遗传学诞生的前奏，弄潮儿陆续登场。早在1960年代，耶鲁大学年轻的劳伦斯·科恩教授就想办法引进一个光的元素，把神经电信号变成光，让神经科学家看到大脑活动的“电视剧”。
他的想法是利用一种化学染料把神经细胞染色，染料的分子并不进入神经细胞，而只附着在细胞膜上。这样当神经细胞产生电信号时，染料的分子结构受到电场影响而改变颜色。这样就可以通过测量染料的荧光来对神经组织进行成像。这种“电压敏感染料成像”方法转眼做得风声水起，在顶级杂志上，文章一篇接一篇地发表。他的学生找工作时，只要放一小段震撼人心的“脑电影”，就能轻易俘获满堂听众的芳心，顺利地得到工作。
但这种方法也有个明显的缺点，就是对神经细胞没有选择性，不同神经细胞对光信号贡献没法分开。
我们知道大脑中有兴奋和抑制两种神经细胞，就像汽车的油门和刹车，兴奋的负责“嗨”，抑制的负责瞌睡。如果有一种方法能分清楚这两种不同细胞的信号，那研究工作就更上了一层楼。可是化学染料对神经细胞的选择性很差，远远做不到分辨来自不同细胞的信号。这个问题为难了整整一代神经科学家。
科恩小组的工作主要是利用大学长长的暑假，把实验室搬到在麻省海边，位于鳕鱼角的伍兹霍尔海洋生物站。那几十年是美国科研的黄金时代，在伍兹霍尔聚集了一大批心怀各种梦想的神经科学家。他们白天躲在各自的实验室里工作，晚上则聚在海滩或镇上的小酒吧里高谈阔论。谁有个新发现，身边马上聚满粉丝，新闻转瞬传遍世界，根本等不到文章发表。
科恩的学生乘着电压敏感染料的东风发明了另一种染料，它可以进入细胞并随着细胞内钙离子浓度的变化发光。钙离子在一切细胞中都有非常重要的作用，能做“钙成像”的消息一下子引爆伍兹霍尔，他火得连在上厕所的时候，站在旁边尿尿的人都会突然提个问题。
在这群伍兹霍尔科学家中，有个谦和的日本科学家下村修，成天拿着捞网在海边收集水母。
伍兹霍尔海水温暖，夏天傍晚阵阵清风掀起涟绮，海面成千上万的水母会竞相发出绿色荧光，美如梦幻。下村多年来一直着迷于这这种发光的现象，并于1960年代在普林斯顿大学纯化了这种绿色荧光蛋白。年复一年，伍兹霍尔夏末的学术讨论会上，他在做报告时让把灯全关掉，黑暗中他从口袋里拿出两只试管，当溶液混合时会产生幽幽的鬼火似的蓝光。报告厅里科恩照例坐在角落里，瞪着一双牛眼不知道在想什么。
下村的荧光蛋白与科恩的光学成像多次在报告厅里相遇，但从来没擦出火花。因为分子遗传学的大潮还没有涌现，光学遗传学的弄潮儿还站在海滩上呢。
1990年代，下村的水母荧光蛋白迅速成为光遗传学领域中的第一个明星。首先，它的基因被克隆，并可以在其他物种中表达。由此只要把它的基因转移到某些细胞中，这些细胞就可以在组织中发亮，给科学家指引目标。
1995年，加州大学圣地亚哥分校的钱永健发现改变蛋白分子上一个氨基酸可以使其发光加强而且更加稳定。那几年产生了“荧光蛋白热”，几个研究小组使用各种方法改变绿色荧光蛋白，不但使其更亮更稳定，而且也产生出红、蓝、黄、青等不同颜色的蛋白。这项工作终于在2008年让钱永健、下村修和马丁·查尔菲一起获得了诺贝尔化学奖。
如果用转基因的方法让脑细胞随机地表达几种不同颜色的荧光蛋白，在紫外光下每个脑细胞就会出五彩斑斓的荧光，我们可以把每个细胞看得清清楚楚，这项技术也叫“脑彩虹”。有了可以通过遗传学手段标记细胞的荧光蛋白，光学遗传学下一步的目标就是怎样利用荧光蛋白显示神经细胞的活动，以及怎样利用光来指挥和控制神经细胞的活动。
光遗传学方法：测量神经细胞的电活动。
神经细胞的活动有两个重要的指标：第一个是细胞膜电位的变化，第二个是细胞内钙离子浓度变化，下面分别描述测量这两个指标的方法。神经细胞的膜电位变化是神经细胞活动最基本的信号，当膜电位变化时，细胞膜上镶嵌的许多蛋白质分子都会改变形状，因此改变膜电位是一个细胞指挥自己身上亿万个蛋白分子统一行动的信号，这类随膜电位改变形状的蛋白分子也叫电压敏感蛋白。
如果用基因工程的办法，把电压敏感蛋白和荧光蛋白连接起来，当膜电位改变时，电压敏感蛋白的改变就会影响荧光蛋白的结构，从而改变了后者的发光特性。这样就可以利用荧光来看神经细胞膜的膜电位变化了。
光遗传学方法：测量细胞内钙离子。钙离子参与了细胞内很多生理过程，如细胞内信息传递、基因表达、神经递质释放等等。细胞内的钙离子浓度非常低，胞外钙浓度是胞内的十万倍以上。
虽然有巨大的浓度梯度，但是钙离子不能透过细胞膜，必须通过特殊的钙离子通道才能进入细胞。神经细胞在静息的时候钙离子通道都是关闭的，当膜电位变化时，对电压敏感的钙离子通道会大批开放，胞外的钙离子会迅速涌进胞内，造成一个突然的钙高峰。那么如何来观察细胞内钙浓度的突然增加呢？
生物基因工程学家的思路与前述的电压敏感荧光蛋白类似，将能与钙离子结合的蛋白组合钙调蛋白和它的亚基M13分别连在绿色荧光蛋白的两个位置上。当这个融合蛋白不结合钙离子的时候，绿色荧光蛋白不会发出荧光，当CaM和M13结合了钙离子，这两个蛋白就会更加紧密的靠在一起，与绿色荧光蛋白的结构完整地结合起来，就发出了明亮的荧光。基因工程重组钙敏感荧光蛋白就是通过这个方法来构建的。
用光控制神经细胞的活动。
在经典的神经生物学实验中，激活一个神经细胞大致有两种方法：物理的和化学的。物理的方法就是电刺激，例如将金属电极放在神经细胞旁边，改变细胞外电场，从而激活细胞；化学的方法，就是施加神经递质类的小分子，或者作用于细胞受体的药物。而光遗传学提供了一个全新的方法，就是直接用光来准时刻、准位点地刺激细胞。光遗传学是怎么做到的呢？
大家知道人类的眼睛就是一个光信号-生物电的光电转换系统，那么是否可以用眼睛的方法来进行光电转换呢？
光遗传学时代的来临。2002年，杰罗·麦森伯克实验室首先尝试了这个大胆的设计，他把来自于非脊椎动物的感光蛋白表达在体外培养大鼠皮层神经元上，观察到了变视紫质可使神经元兴奋。这是实现光控细胞活动最早的一个成功的实验。2005年，杰罗·麦森伯克进一步把变视紫质表达在果蝇肌肉细胞上。
再把果蝇砍去头，这样果蝇扇翅膀的运动就不能被自身的运动神经所控制。然后，再把光打在果蝇身体上，没头的果蝇竟然拍翅膀了！因此，2003年左右，当皮特·黑格曼实验室连续发表了两篇微生物中的单个光敏离子通道ChR1和ChR2时，许多神经生物学家精神为之一振，世界各地同时有四个实验室尝试表达于哺乳动物细胞，可谓英雄所见略同。
光遗传学未来的潜在应用方向。
在特定细胞环路上表达光敏通道，再使用可拍摄深层组织的双光子显微镜系统，使活体观察动物神经系统活动成为可能，这也是最近十来年最大的科学突破之一。神经科学家对神经系统的认知早已从递质、激素和受体决定一切，转变为认为大脑是一个高效细胞环路。生物工程最前沿的目标应当是结合光遗传学、光学成像和组织细胞工程来人工构建的细胞环路。
临床医疗研究者也在近十年尝试利用非侵入性的光遗传学手段来治疗各种疾病，例如嗜睡症、抑郁症、恐惧、焦虑、疼痛、帕金森综合症和失明等。这些尝试给“光疗法”赋予了全新的意义。