生命科學

用雷射遙控果蠅

巧妙結合工學和遺傳學,神經科學家可以前所未有的準確度,描繪、甚至控制腦內的神經線路。

撰文/麥森伯克(Gero Miesenboeck)
翻譯/涂可欣

生命科學

用雷射遙控果蠅

巧妙結合工學和遺傳學,神經科學家可以前所未有的準確度,描繪、甚至控制腦內的神經線路。

撰文/麥森伯克(Gero Miesenboeck)
翻譯/涂可欣

重點提要
■神經科學家研究腦細胞功能的傳統方法,是刺激細胞然後以電極紀錄它們的活性,但這種間接的方法很難用來分析特定神經元。
■遺傳工程和光學結合而成的光學遺傳學,可以觀察並控制一群神經元,讓研究人員能夠詳查個別的神經線路,革新腦功能的研究。

1937年,英國牛津大學偉大的神經科學家薛林頓(Sir Charles Scott Sherrington)對腦的運作提出了一段經典的描述。他想像腦內有些光點象徵著神經細胞的活性和細胞間的聯繫,人在熟睡時,整個腦部只有幾處零星散落的光點閃爍,看起來宛如星空;但清醒時,那畫面如同「銀河跳起了某種宇宙之舞,腦部立刻變成魔法織布機,百萬條閃亮的光束來回穿梭,編織著若隱若現的圖案,這些圖案有意義卻無法持久,是一些不斷和諧地轉變著的小圖案。」

薛林頓可能不知道,他詩意的比喻隱藏了一個重要的科學觀念:我們可以透過光來揭露腦部的運作。神經元之間如何互相合作進而產生思想和行為,一直是生物學最大的難題,主要就是因為科學家無法看到完整的神經線路運作。神經學的標準研究方法是利用電極去探測一、兩個神經元的活動,這只能揭露巨大拼圖的一角,我們還缺少太多拼圖片去拼湊出完整的面貌,如果我們能看見神經元間的溝通與聯繫,或許就能夠推想腦部線路的排列和功能。這個誘人的想法鼓舞著神經科學家去嘗試落實薛林頓的先見。

他們的努力創造了一門新興領域:光學遺傳學(optogenetics),結合遺傳工程學和光學來研究特定細胞類型。研究人員已經成功揭示各種神經元群的功能,甚至只要打開光源,就可以遙控神經元,這些進展讓人對光學遺傳學寄予厚望,或許有朝一日,它能協助神經科學家看清楚腦部的線路,甚至幫助醫生治療特定疾病。

感應神經元電壓的染料

1970年代起,科學家開始認真希望實現薛林頓的想像。神經系統和電腦一樣,都是透過電來運作;神經元以電訊號,或稱動作電位(action potential)來傳遞資訊,這些電脈衝(電壓低於AA電池的1/10)會誘導神經細胞釋放神經傳遞物,能夠活化或抑制線路中相連的細胞。為了看見這些電訊號,美國耶魯大學的柯恩(Lawrence B. Cohen)測試了各式各樣的螢光染料,看它們是否會隨著電壓的增減而變換顏色或亮度,結果他發現有些染料確實具有感測電壓的光學特性,將這些染料染神經元後,就可在顯微鏡下觀察細胞的活動。

此外,有些染料能感測特定離子的流動,同樣也可顯示神經細胞的活動。當神經元產生動作電位時,細胞膜上的通道會打開,讓鈣離子流入細胞,湧入的鈣離子會刺激神經傳遞物的釋放。現任教於美國加州大學聖地牙哥分校的錢永健,在1980年開始合成可隨鈣離子濃度變化而增減亮度的螢光染料,這些光學標記果然不同凡響,為科學開啟了一扇新的窗子,讓我們能窺見單一神經元和小型神經網絡的資訊處理。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第82期12月號】