光遗传学技术在神经生物学领域的发展及应用_邴杰
光遗传学的基本原理与应用
光遗传学的基本原理与应用光遗传学是基因工程学中的一种新型技术，它是通过利用光敏蛋白质来操纵生物行为和生理现象的。
近年来，由于光遗传学的出现，为生命科学的发展开辟了新的研究领域。
本文将重点讲述光遗传学的基本原理和应用。
一、基本原理1. 光敏蛋白质光敏蛋白质是一种能够感知和响应光刺激的蛋白质，它能够将光能转化为化学能，实现了生物体内外光信号的传递。
光敏蛋白质的分子结构都包含一个或多个光敏色团，这些色团能够吸收具有特定波长的光线，从而发生构象变化，导致蛋白质产生生物效应。
2. 基因编辑技术基因编辑技术是一种让研究人员精准修改生物基因组的技术，是用人工手段修改生命体遗传信息的一种手段。
常用的基因编辑技术有：CRISPR/Cas9、TALEN和ZFN等。
利用这些技术，研究人员可以精准地剪切、插入、修复或打靶基因。
3. 光遗传学光遗传学是利用生物体内外彩色光谱特定区域的光能以及蛋白质的光响应性，对细胞进行精准的操控和干预的新型技术。
其基本原理是将光敏蛋白质基因导入到目标细胞中，通过外界光信号的照射，光敏蛋白质发生构象变化，进而控制目标细胞的生理活动。
二、应用1. 药物筛选利用光遗传学技术，可以筛选出新型药物分子。
例如，通过对细胞膜离子通道的精准控制，可以定向筛选出具有疗效的新型药物。
2. 疾病治疗光遗传学技术可以帮助医生精准治疗某些疾病。
例如，利用光敏蛋白质精准控制神经元的活动，可以针对帕金森病，疼痛等疾病进行干预和治疗。
3. 神经科学研究光遗传学技术可以帮助神经科学家深入理解神经系统。
例如，通过对细胞膜离子通道的控制，可以研究硬膜外电刺激对神经元活动的影响。
4. 生物模块化利用光遗传学技术，可以构建人工生物模块，实现各类智能生物的构建和应用。
例如，将光遗传学与人工智能技术相结合，可以构建出具有智能行为的智能生物体。
总之，光遗传学技术在生命科学中的应用领域十分广泛。
它的发展为生命科学的研究和应用带来了许多新的思路和方法，将会在生物医学、工业和农业等多个领域发挥极大的作用。
光遗传学的基本原理及应用
光遗传学的基本原理及应用光遗传学是一门新兴的研究领域，它将光感受器与遗传工程技术相结合，可以用来控制细胞活性和行为，也可以用于研究生物体的生理学和神经科学等领域。
本文将介绍光遗传学的基本原理和应用。
一、光遗传学的基本原理光遗传学研究的主要对象是一类叫做光感受器的蛋白质，它们可以感知不同波长的光，并将光信号转化为化学信号。
这些光感受器主要分为两类，一类是光激活蛋白，也叫做激光蛋白；另一类是光抑制蛋白，也叫做光敏离子通道。
1、光激活蛋白的原理光激活蛋白属于一类叫做G蛋白偶联受体(GPCR)的蛋白质，它们的结构特点是在细胞膜上有一个跨膜结构，其中包含了一个叫做色素分子的部分，可以感受光的刺激。
当光照射到色素分子时，色素分子会发生构象变化，进而激活GPCR的内部结构，从而启动细胞内的信号传导通路，产生相应的生理效应。
2、光抑制蛋白的原理光抑制蛋白的结构类似于离子通道，也跨越细胞膜，其内部存在一种被称为光依赖离子通道(LOV)的组分。
当光照射到LOV时，它会发生构象变化，这个变化会对离子通道的功能产生影响，从而影响细胞的活性。
二、光遗传学的应用光遗传学技术是一种非常强大的工具，可以用于控制生物体内的细胞活性和行为，也可以用于研究生物体的生理学和神经科学等领域。
1、控制细胞活性和行为背景在神经科学和细胞生物学研究中，通常需要通过化学制剂或基因转染等方式来控制细胞的活性或行为，但是这些方法有很多局限性，不如光遗传学的方法直观和易于控制。
应用(1) 光控制心脏肌细胞的收缩科学家使用光激活蛋白控制心脏肌细胞的收缩，从而实现了对心脏的精细控制。
这种方法可以用于治疗一些心血管疾病。
(2) 光控制细胞周期及凋亡科学家使用光敏蛋白对细胞的周期或凋亡进行控制，从而促进或抑制细胞的增殖和死亡，为癌症治疗提供了新的思路。
(3) 光控制神经元的活性科学家使用光激活和光抑制蛋白，通过光线控制神经元的活性和电信号，从而研究神经元在动物行为过程中的作用。
光遗传学的研究进展与应用前景
光遗传学的研究进展与应用前景光遗传学（Optogenetics）是通过将异质基因载体导入神经元中，利用可灵活操纵光刺激的特定蛋白质，精细研究神经元与行为之间的关系。
这个领域最早由Karl Deisseroth团队在2005年介绍，其研究给生命科学带来了十分独特的贡献。
本文将介绍光遗传学的研究进展和应用前景。
一、转化光遗传学研究转化光遗传学是将光遗传学研究方法应用到疾病治疗中的领域。
很多神经系统疾病，如帕金森病、癫痫等，是由于神经元过度活动或过于静止引起的。
而光遗传学中的蛋白质可以通过光线的控制来调节神经元的活动，因此可以用于治疗上述疾病。
近年来，科研人员在基因工程的基础上，通过将异质基因载体导入人类神经元，成功地恢复了运动神经元的正常功能，由此证明了转化光遗传学技术在治疗神经系统疾病上具有广泛的应用前景。
二、光遗传学技术在学习与记忆研究领域光遗传学在学习与记忆的研究中，具有重要的价值。
光遗传学的技术可以通过刺激或抑制神经元的活动，精准地研究特定行为和记忆之间的关联性。
例如，2010年，日本学者Masaaki Sato团队利用光遗传学技术在实验鼠眼底神经节细胞中表达了光受体并操纵线粒体运动。
他们发现以此作为协同线索信号的线粒体运动对于视觉信息的加工以及视网膜处理异常有着显著影响，进一步细化了线粒体在细胞信号过程中的分子机制和组织意义。
三、光遗传学在认知神经科学领域通过光遗传学的技术，科研人员可以实现对不同种类的蛋白质进行精确地操控和模拟，从而研究认知行为和神经生理的基础机制。
例如，美国明尼苏达大学的研究团队利用光遗传学的蛋白质ChR2来刺激大脑中的多巴胺神经元，模拟了巴特森-达尔厄方式，在运动学习中获得奖励的情况下可以增强相关巴特森神经元的活性。
这项研究表明，光遗传学技术在探索奖赏诱导的行为时具有潜在的应用价值。
四、光遗传学在脑疾病临床治疗领域光遗传学的技术在脑疾病临床治疗领域也有相当潜在的应用前景。
光遗传学在神经科学研究中的应用
光遗传学在神经科学研究中的应用光遗传学是一项新兴的技术，它利用光的特性来控制生物体内的神经元活动。
该技术目前已经被应用于神经科学领域，成为了研究神经信号传导的一种新工具。
本文将简单介绍光遗传学的原理，以及它在神经科学研究中的应用。
一、光遗传学的原理光遗传学是一种利用光来控制生物体内神经元活动的技术。
它的原理是在目标神经元中导入一种敏感于光的蛋白质，叫做光激活离子通道。
当光线照射到神经元中的这种蛋白质时，它会发生构象改变，从而改变膜电位，使神经元兴奋或抑制。
这样，就可以准确控制神经元的活动状态，从而研究神经信号传导的机制。
二、1. 探索神经元之间的连接神经元之间的连接关系是神经信号传导的重要部分。
通过光遗传学技术，可以针对神经元的不同类型和特征，选择性地控制其活动状态，进而探究它们之间的连接情况。
例如，科学家使用光遗传学技术，成功地揭示了小鼠视觉系统中不同神经元之间的相互作用关系。
2. 研究神经元活动的时空模式神经元活动的时空模式对神经信号传导的研究非常关键。
利用光遗传学技术，科学家可以精确控制神经元的活动时机和强度，从而得到更加准确的神经元活动时空模式数据。
这些数据可以帮助科学家更好地理解神经信号传导的机制，为神经疾病的治疗提供有益的参考。
3. 研究神经元在行为和认知过程中的作用行为和认知过程涉及多个神经元之间的复杂互动。
利用光遗传学技术，科学家可以控制神经元的活动，进而研究神经元在行为和认知过程中的具体作用。
例如，科学家利用光遗传学技术，成功地证明了海马区神经元在小鼠空间导航和记忆形成中的作用。
三、光遗传学的局限性和未来的发展方向尽管光遗传学技术非常有潜力，但是它也存在一些局限性。
例如，其适用于研究范围和深度较为有限，并且受到光线的穿透深度、重叠和光纤损耗等因素的影响。
未来，科学家需要在光遗传学技术的基础上进一步深入探索神经信号传导的机制，开发更加精准、高效、无创、全面的控制神经元活动的新技术。
神经科学研究中的光遗传学应用
神经科学研究中的光遗传学应用随着科技的不断发展，生物技术也得到了长足的发展。
其中一个研究热点便是神经科学领域，也就是研究人类大脑的运作原理和生物化学反应的一门学科。
随着对大脑机制的深入研究，神经科学学者们发现光遗传学在神经科学研究中有很多应用。
那么，什么是光遗传学，它又是如何应用于神经科学研究中的呢？一、什么是光遗传学？光遗传学是一种利用光去操纵生物分子行为的技术。
该技术利用了一种叫做光敏蛋白的蛋白质，通过对该蛋白进行基因工程改造，可以使其对光做出反应。
这些反应包括：荧光、开关机械性和化学性等。
光遗传学技术的出现改变了以往对生物分子的控制方法。
以前的方法只能通过药物或化学物质对生物分子做出反应，而光遗传学更加高效，并且具有更高的时空分辨率。
光遗传学技术的种类有许多，但最常用的两种技术是光开关通道技术和光针刺技术。
光开关通道技术可以让光敏蛋白在接收光信号之后，调节离子通道的打开和关闭，进而影响神经元的兴奋性。
而光针刺技术可以让光敏蛋白接收光信号并释放化学物质，从而激活或抑制神经元甚至整个神经元网络的活动。
二、光遗传学在神经科学研究中的应用现在越来越多的神经科学研究者意识到，光遗传学技术可以作为一种有力的工具来研究神经元的网络结构、信号传递以及大脑的调节机制，以下三个方面是光遗传学在神经科学研究中的应用。
1. 大脑解剖学映射大脑解剖学的映射指的是利用独特的分子标记或染色连通大脑区域，以便能够在大脑图像中看到它们的边界和位置。
光遗传学在这个过程中扮演着重要的角色。
研究人员可以通过将光敏蛋白质与染色体标记融合，同时使用激光光束将光敏蛋白质活化到特定区域中，从而显微镜下看到活化后的目标区域。
此外，一些研究人员已经开始利用光遗传学技术来研究大脑中的神经元网络，在其中探究神经元之间的联系及其空间分布，从而为大脑神经元的功能分析奠定了基础。
2. 神经元活动的调节光遗传学技术用于神经元活动的调节，是目前最为广泛的应用之一。
光遗传学技术的原理及应用
光遗传学技术的原理及应用近年来，一种新的遗传学技术——光遗传学技术逐渐走入人们的眼帘。
光遗传学技术是一种利用光来操纵生物体中特定基因的遗传工具，是遗传学与光学交叉的一种科学领域。
这种技术的出现为生物学家提供了一种研究动物行为、神经系统等的新方法，将为医学研究和生物技术的进一步发展带来重大影响。
一、光遗传学技术的原理光遗传学技术的实现基于两种主要的分子：光感受受体和效应受体。
光感受受体是指譬如光氧化酶 (LOV)，结合口袋 (BLUF)，绿色荧光蛋白 (GFP) 等一些蛋白质，能够吸收特定波长的光并发生构象改变。
效应受体则是指基于类似于G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor, GPCR)的分子机器，能够转换光信号为细胞内化学反应导致的可反应细胞行为，如启动或抑制触发基因的表达。
现有的光遗传学技术通常涉及在动物细胞中条形码、操纵神经元或操纵基因试验。
比如，神经外科医生可以使用一种受控的手段，将光敏感染剂注射到无菌小鼠的视网膜中，然后使用光线刺激散发特定生物化学物质或在光线的诱导下观察神经调节的反应并记录下来。
这意味着，在没有病毒、毒性化学品或热应激作用的激发下，动物生理机能通常是正常的。
二、光遗传学技术的应用1、神经科学研究对于神经科学家来说，光遗传学技术是一种强大的神经元操控工具，可以用于研究神经元通讯机制。
例如，光遗传学技术可以被用来控制神经元的激活和抑制，从而启发神经元互连的模型，并促进更好的神经解读方法，如针对癫痫，闭口和帕金森疾病等疾病，科学家已经使用了光遗传学技术先进行了实验。
2、生物医学研究光遗传学技术还有用于搭建先进的人工心脏模型和新型的药物筛选平台。
研究人员应用光遗传学技术，可以对心肌细胞进行精细的控制，使得基因调控进行简单、快速而精确。
目前,科学家和工程师已经利用光遗传学技术开发出高效而简便的新药筛选手段，在动物身上已经进行了实验。
3、农业科学研究光遗传学技术还可以被用于植物的遗传育种研究中，大大提高其单倍体技术应用程度和筛选精准度，例如通过在育种过程中操纵特定基因，可以使水稻有更高的产量、抗虫性、耐逆性等良好性状。
神经科学中光遗传学的应用
神经科学中光遗传学的应用光遗传学是神经科学中一个新兴的领域，它在研究神经元活动和控制行为方面具有极高的应用价值。
本文将重点探讨神经科学中光遗传学的应用，以及其在疾病治疗和行为控制方面的潜在发展。
一、光遗传学的基本原理光遗传学是利用特殊的光敏蛋白质，在细胞内实现精准的光控制的技术。
这些光敏蛋白质包括可以激活或抑制神经元活动的光感受器和离子通道，以及可以使神经元发生特定反应的蛋白酶和转录因子等。
通过将这些光敏蛋白质基因导入到特定类型的神经元中，可以实现对神经元活动的精准控制。
例如，利用光感受器离子通道ChR2，可以在神经元膜上形成离子通道，当膜表面受到蓝色光照射时，离子通道会打开，导致细胞内钠离子的迅速流入，触发神经元的兴奋。
而利用葡萄糖受体等光敏酶，也可以实现对神经元代谢产物和转录调控的精准控制。
二、光遗传学在神经科学中的应用（一）神经回路调控神经回路是控制各种体内行为的基础，神经元之间的联系非常复杂。
利用光遗传学技术，可以精准调控单个神经元或神经元群体的兴奋性和抑制性，从而研究神经元之间的相互作用，深入了解神经回路的结构和功能。
例如，一项研究使用了光遗传学技术将光敏离子通道ChR2导入到小鼠下丘脑中的饱和水分子受体神经元上，以实现对其活动的光控制。
结果显示，随着水分子输入量的增加，小鼠的渴望和喝水的行为也随之增加。
这表明小鼠下丘脑饱和水分子受体神经元是调节口渴和饮水行为的关键因素。
（二）神经元类型鉴定在传统研究中，辨别不同类型的神经元非常困难，因为它们的形态、结构和电活动特性十分相似。
使用光遗传学技术，可以将光敏离子通道导入到不同的神经元类型中，根据其受光照射后的电信号响应，快速准确地鉴定出不同类型的神经元。
例如，一项研究利用光遗传学技术将会发光的蛋白导入到视觉皮层的神经元中，发现了一种新的趋向运动神经元类型。
该结果提供了促进理解运动细节处理等视觉皮层功能的基础，并有利于深入分析感知、决策和控制行为的分子和电路机制。
神经科学中的光遗传学和化学遗传学研究
神经科学中的光遗传学和化学遗传学研究神经科学是研究神经系统的组成、结构、功能和发展的科学领域。
近年来，随着科技的进步和研究方法的不断更新，神经科学正在不断迎来新的突破和发展。
其中，光遗传学和化学遗传学这两种新型技术在神经科学中的应用越来越多，成为神经科学领域中备受关注的热点话题。
一、光遗传学在神经科学中的应用光遗传学是一种利用光来控制细胞或小型生物活动的技术。
它通过人工合成一些特殊的光敏蛋白，然后将这些蛋白注入到细胞或者小型生物体中，通过控制光线的照射来控制这些细胞或者生物的活动。
在神经科学领域中，光遗传学得到了广泛的应用。
通过注入光敏蛋白到神经元中，科学家可以使用激光器或LED等光源，来激活或禁止神经元的活动。
这种方法被称为“光遗传学遗传学”，它可以帮助科学家们理解神经系统的结构、功能和调控机制。
光遗传学技术的出现，使得神经科学研究有了更为精细和精确的手段，也使得定量化研究成为可能。
科学家可以利用光遗传学技术来研究神经元的兴奋或抑制过程，以及它们与大脑行为之间的关系。
此外，光遗传学技术还可以用于研究神经网络的结构和功能，以及在疾病治疗中的应用等方面。
二、化学遗传学在神经科学中的应用化学遗传学是一种利用小分子化合物来控制生物学功能的技术。
它通过设计和合成特殊的化合物，来与生物分子进行特异性的互作用，从而调控生物学过程。
在神经科学领域中，化学遗传学也得到了广泛的应用。
它主要用于探究基因在神经系统中的功能和调控机制。
科学家可以利用化学遗传学技术来研究在神经系统中特定基因的功能，分析基因调控的规律，并研究基因在神经网络中的相互作用和信号转导。
化学遗传学技术也可以帮助科学家们研究和开发治疗神经系统疾病的药物。
它可以通过筛选和优化分子化合物，来寻找具有特殊功能的小分子化合物，从而开发出更有效的神经系统疾病治疗药物。
三、光遗传学和化学遗传学的联合应用光遗传学和化学遗传学两种技术各有优缺点，它们互补互贡。
两种技术的结合使用，可以更好地解决神经科学的一些复杂问题。
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2014年第49卷第11期生物学通报51光遗传学技术光遗传学技术是一种利用光学原理与基因工程相结合，使特定细胞类群表达或缺失某项功能的新兴实验技术。
基于该项技术目的性强、精确度高等特点，近年来，在复杂的生物学机制尤其是脑科学、神经科学等领域的研究中得到了广泛应用，被《Nature Methods》定义为2010年的年度新兴实验方法［1］，光遗传学技术被誉为21世纪神经生物学最有影响力的技术方法。
1.1光遗传学技术的发展过程光遗传学技术起源于神经生物学，1979年Francis Crick等认为神经生物学领域中面临的最大挑战是：如何在脑神经研究中精确控制一类被研究的神经元而不影响其他周边神经元的功能。
传统研究一般采用的方法是电极刺激或药物处理，然而电极刺激的针对性不强，药物处理作用时间周期太长、作用靶细胞多样等局限性因素，并不能很好地解决此类问题。
在20世纪70年代人们对光激活细胞表达机制还不是很清楚，Crick提出可否用光控制细胞中的特定事件。
40年前，微生物学家发现一些微生物可产生光门控蛋白，能直接调控质膜离子通道，1971年Stoeckenius和Oesterhelt研究发现细菌视紫红质作为一种离子通道能被光迅速激活，1977年Matsuno-Yagi和Mukohata发现了盐细菌视紫红质，Hegemann等发现了光敏感通道。
传统认为外来膜蛋白对神经细胞具有毒害作用，所以感光蛋白的研究并没有引起神经生物学领域学者的重视。
随着基因工程的发展和绿色荧光蛋白在生命科学领域的广泛应用，通过引进外来吸光复合物对相应蛋白进行研究示踪，人们才把视线重新转移到视蛋白的研究上。
2005年发现了一种微生物视蛋白，该视蛋白在没有添加任何化学或光敏感复合体的情况下就可以极为敏感地响应光刺激。
2010年研究证明通道视紫红质、细菌视紫红质和盐细菌视紫红质蛋白在不同光作用下对神经细胞可以迅速、安全地起到“开关”作用。
后期发现哺乳动物体内含有光控蛋白辅因子———全反式视黄醛，随着GPRS信号通路的研究发现，光遗传学的应用在活体哺乳动物体内具有更广阔的前景［2］。
1.2光遗传学技术作用机理生物体中存在一类膜蛋白可以感受不同波长光的刺激并对该光学刺激产生一系列效应的响应机制，该类蛋白被称为视蛋白（opsin）。
视蛋白属于一类视紫红质通道蛋白，可分为2种类型：typeI为一类微生物视蛋白，typeII为一类动物视蛋白。
两者均需要视觉色素视黄醛作为辅基。
视蛋白的种类和结构不同，导致蛋白对光的吸收峰有所不同。
2种类型视蛋白虽然都可编码7次跨膜的蛋白，但序列同源性系数极低，相似性系数跨度达到25%~80%［3］。
typeI 在原核生物、藻类和真菌中表达，是个庞大的亚家族，功能主要是感光和作为离子通道，作用原理为typeI编码的视紫红质通道蛋白与全反式视黄醛共价结合，当一定波长的光照时，全反式视黄醛异构化为13-顺式视黄醛，引起通道蛋白构象变化，打开离子通道，完成细胞生理功能；typeII在高等真核生物中表达，功能主要是视觉通路、昼夜节律和色觉分辨通路，作用原理为typeII基因编码GPCRS（G蛋白偶联受体），在黑暗环境中与11-顺式视黄醛结合，当视蛋白GPRS吸收光后，共价结光遗传学技术在神经生物学领域的发展及应用邴杰（北京师范大学生命科学学院北京100875）摘要光遗传学技术是基因工程学与光学相结合的一项新兴技术。
简要介绍了光遗传学技术的概念、发展过程及作用机理，概述了光遗传学技术中通道视蛋白的类型和该技术在神经生物学领域的应用。
关键词光遗传学技术视蛋白光学技术神经生物学中国图书分类号：Q31文献标识码：A6生物学通报2014年第49卷第11期合的视黄醛异构化为全反式视黄醛，与视蛋白水解，引起视蛋白构象变化，进而引发视觉通路的第二信使级联反应，光异构化后，GPCRS与视黄醛水解后，GPCRS再与新的11-顺式视黄醛开始新一轮的信号转导［2］。
该项技术的核心是将视蛋白膜通道蛋白用转基因学的方法，构建改造成能在生物活体组织或培养的细胞中稳定表达且不影响生物体自身正常功能的转基因蛋白，根据改造后不同的视蛋白结构、功能及吸光系数的不同，利用不同波长的光照射受体组织，从而引起转基因视蛋白构象改变，通道打开，产生相应膜内外离子差，造成膜电位改变，从而激活或抑制特定神经细胞活性，如下图所示。
该项技术在生物学领域可控制某一类细胞的激活或抑制，控制细胞生理机能，在研究大脑感觉、运动通路等重大神经生物学问题上有广阔的发展空间，可用于探究神经生物学行为学领域的疑难问题，以及细胞内部亚细胞结构定位与功能研究等生物研究领域［4］。
光遗传学技术作用机理图［2，5］2感光蛋白2.1细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin BR）细菌视紫红质是盐生嗜盐菌（Halobacterium salinarium）等细菌的跨膜蛋白质，含有248个氨基酸，具有7次跨膜的α螺旋结构，216位的Lys通过希夫碱与视黄醛分子相连接，在吸收光能后,视黄醛由全反式视黄醛→13顺式视黄醛→全反式视黄醛，异构化作用触发细菌视紫红质构象变化,把质子从细胞质泵到细胞外。
最大吸收波长为560nm黄光［6］。
2.2盐细菌视紫红质（Halorhodopsin HR）盐细菌视紫红质通道蛋白是能被560~580nm黄光激活的介导Cl-的通道蛋白，阴离子内流引起神经元细胞超级化抑制神经元的活性。
早期发现NpHR 在高水平表达时会在细胞中产生聚合态影响该蛋白的功能，但是随后对NpHR改造后的2代eNpHR2.0和3代eNpHR3.0不会产生聚合体并且具有超级化功能。
最新筛选的微生物视蛋白Arch-3（Archaerhodopsin-3）细菌视紫红质和黑胫病视蛋白（Mac），当NpHR失活时，此2个离子泵被激发，进而可抑制神经元的活性［7］。
2.3视紫红质光敏感通道（Channelrhodopsin）视紫红质光敏感通道是一种光门控阳离子通道，在莱茵衣藻（Chlammydomonas reinhardti）中发现7次跨膜蓝光激活的非选择性阳离子通道蛋白，最大吸收波长为470nm。
光照下ChR2共价结合的全反式视黄醛变为13-顺式视黄醛，造成ChR2构象的改变，通道打开，细胞外阳离子大量内流，而阳离子内流造成神经元细胞去极化并激活动作电位。
最新工程学设计了ChR2突变体标记ChETA 标签，该标签可减少光相应中的双标记示踪，并且可以在200Hz下被光激活，远远超过许多细胞正常表达ChR2范围40~50Hz［8］。
2.4OptoXR OptoXR为视蛋白typeII型，应用GPCR信号通路在活体小鼠体内进行精确控制，OptoXRs是视紫红质-GPCR即G蛋白偶联受体的嵌合体，可被500nm的绿光激活后参与细胞内循环，OptoXRs细胞内进一步激活Gq、Gs或Gi，Gq激活下游IP3和DAG，或Gs和Gi可激活下游cAMP，该小GTPase在黄素或胆绿色发光团的参与下更易被激活［2］。
其中，GPCR不仅可响应多巴胺能、血清素和肾上腺能通路的信号传递，而且还可回应诸如GABA或谷氨酸酯等神经递质的信号传递功能［9］。
3光遗传学技术在神经生物学方面的应用光遗传学在生物学很多领域尤其是神经科学领域中取得了很大的进展［2］，利用光遗传学技术，已经能很好地解释一些神经生物学领域的现象。
在线虫中，2005年Nagel等发现被ChR2重组的线虫，其肌肉壁运动神经元和动力感觉神经元的活性是可控的；2007年Zhang等将ChR2和NpHR 双重组到秀丽隐杆线虫的肌肉壁细胞中，用光激活该细胞，发现肌肉壁细胞的收缩，这一现象与线虫受到外界机械刺激产生的反应一致；在斑马鱼躯体感觉神经元中的重复实验也表明，光激活下2014年第49卷第11期生物学通报7该神经元的反应驱动斑马鱼产生的游泳行为与通常的逃避行为很类似［10］。
Low等利用Gal4/UAS体系和光遗传学工具在斑马鱼的系统发生体系中成功检测并控制了斑马鱼心血管功能的发生机制。
在果蝇中，激活ChR2的上游基因序列研究果蝇疼痛机制和厌食反应机制时发现，一定波长的光波辐射可以打开ChR2通道，即引起神经递质一元胺的释放，一元胺进入血清素/多巴胺厌食循环，引起厌食反应［11］；与此同时在哺乳动物中利用光遗传学技术也取得了相应进展，在转基因小鼠中双重组ChR2和eNpHR后的一系列细胞神经元（例如下丘脑分泌素细胞、蓝斑核去甲肾上腺素激活神经元、VTA腹侧被盖区多巴胺神经元、棘神经元以及类胆碱能中间神经元）可以利用光波对这些神经元的活性进行精确控制；该技术的可控性已经应用到小鼠的睡眠与觉醒、多巴胺上瘾机制、奖赏机制以及可卡因依赖症等诸多方面，并取得了突破性进展；在转基因鼠Thy：：ChR2的研究中，鼠前额叶伽马震荡和信息处理的关系、运动皮层不同神经元的空间位置皮质突触抑制性及对杏仁核在恐惧和焦虑中的作用也有了不同的研究。
在大鼠中，利用光遗传学技术的精确可控性，将ChR2转基因到Cre转基因鼠系的特异神经元亚型，例如非儿茶酚胺能神经元，发现血氧水平依赖性回路功能和动物在麻醉与觉醒中的心血管功能、呼吸和血压的变化关系。
在研究果蝇norpA缺失突变体（无视觉）时，将eNpHR3.0重组进该突变体后，发现该突变体果蝇对蓝光非常敏感；在盲斑马鱼中的研究也发现将ChR2转基因到盲斑马鱼视网膜内层神经元后，26%的视网膜内层神经元对黄光的感应远远高于普通盲斑马鱼；在此基础上，将eNpHR2.0转入人体外培养的色素性视网膜炎相关细胞中，体外加入视黄醛后，发现培养的细胞具有了方向敏感性和光引导行为［2］，这些实验数据表明光遗传学在研究视觉通路及恢复视觉领域将有广阔的应用前景。
4前景随着光学技术的不断发展，微型光纤设备的研制开发及分子转基因技术在安全性上的不断成熟，可广泛地将光遗传学技术应用到神经生物学的各个领域。
该技术中重要的视蛋白在靶细胞中的表达、亚细胞中的运输机制等研究将扩大光遗传学在生物学领域的应用，如亚细胞的定位等。
在哺乳动物体内，typeII型光蛋白与G蛋白偶联的信号通路间的关系研究，将为研究激酶及转录因子等方面提供新的研究工具。
经细胞生物学修饰后，微生物视蛋白在活体人神经组织中具有强大的光遗传性功能，在人类健康方面，目前光遗传学只是作为一种研究工具，还不能直接用于人类的疾病诊断，例如对帕金森症的研究［9］，但随着该项技术的不断成熟，从2010年开始至今该技术已经在神经环路基础研究、运动障碍、睡眠焦虑等神经生物学的多个领域得到应用［12］，相信该项技术将在神经生物学领域及临床医学等各个方面取得更广阔的发展空间。
主要参考文献1Karl Deisseroth.Optogenetics.Nature Methods,2011,1(8): 26—29.2Lief Fenno,Ofer Yizhar,Karl Deisseroth.The Development and Application of Optogenetics.Annual Review of Neurosci-ence，2011,34:389—412.3Man D.,Wang W.,Sabehi G.et al.Diversification and spec-tral tuning in marine proteorhodopsins.The EMBO Journal, 2003,22:1725—1731.4Viviana Gradinaru,Feng Zhang,Charu Ramakrishnan et al.Molecular and Cellular Approaches for Diversifying and Exte-nding Optogenetics.Cell,2010,141:154—165.5Matthew E..Carter and Luis de Lecea,Optogenetic investiga-tion of neural circuits in vivo.Cell,2011,17(4):197—206.6Ryan Lumiere.A new technique for controlling the brain:optogenetics and its potential for use in research and the clinic.Brain Stimulation，2011,4:1—6.7Blaurock A.E.,Stoeckenius W..Structure of the purple mem-brane.Nature New Biology,1971,233(39):152—155.8Zhang F.,Gradinaru V.,Adamantidis A.R.et al.Optogenetic interrogation of neural circuits:technology for probing mamm-alian brain structures.Nature Protocols，2010,5:439—456.9Sugiyama Y.，Wang H.，Hikima T.et al.Photocurrent atten-uation by a single polar-to-nonpolar point mutation of chann-elrhodopsin-2.Photochemistry and Photobiology,2009,8(3): 328—336.10Arrenberg A.B.,Del Bene F.,Baier H..2009.Optical control of zebrafish behavior with halorhodopsin.Proceedings of theNational Academy of A,2009,106:17968—17973.11Borue X.,Cooper S.,Hirsh J.et al.Quantitative evaluation of serotonin release and clearance in Drosophila.Joural ofNeuroscience Methods,2009,179:300-308.12Karl Deisseroth Circuit dynamics of adaptive and maladapt-ive behavior.Nature，2014,505:309—317.（E-mail:bingjie@）。