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- 559期－直擊大腦的神祕宇宙（7月號）
文章專區
2016-07-01用光與化學分子控制大腦！
559 期
Author 作者
連正章／侯文賢／王凱誼／高敏華
要解開大腦之謎，就像是要了解一支機械式或電子式手錶一樣，其中一個方式就是將它全部拆解，了解每一個零件例如齒輪或電阻的位置與特性、零件間如何連結、與局部迴路的功能。近十年來，神經科學已進入研究腦區間交互作用的聯結體（connectome）時代，傳統研究神經元一對一的神經傳導的進展過於緩慢，且較難了解其與生理行為的因果關係。但今日結合光、化學與基因工程產生的新技術：光遺傳學（optogenetics）與化學遺傳學（chemogenetics）使大腦聯結體的研究速度大幅提升。
光遺傳學─利用光操縱大腦及行為
史丹佛大學教授與神經學家代塞爾羅思（Karl Deisseroth）、博依登（Edward Boyden）在2006年的《自然神經科學》（Nature Neuroscience）期刊上發表了一項驚人成果，他們將藍綠藻上發現的光敏感性離子通道（圖一）表現於神經細胞後，便可藉由照射藍光來興奮神經細胞。這項技術稱為光遺傳學，已廣泛用於往後的神經科學研究。
圖一：藍綠藻照光之後活化光敏感性離子通道而開始移動，從其中抽取之ChR2基因被應用在光遺傳學。
光敏感性離子通透蛋白依功能分為：興奮型離子通道 —— 光敏感通道–2（Channelrhodopsin-2,ChR2）與抑制型離子幫浦──嗜鹽視紫紅質（Halorhodopsin, NpHR）。只要給予不同波長的光刺激，就會對細胞產生截然不同的效果（圖二）。
圖二：光遺傳學中使用的興奮型陽離子通道ChR2（左）；抑制型的氯離子幫浦 NpHR（中）及氫離子幫浦 Arch（右）。
ChR2是一種陽離子通道，在接受藍光刺激之後孔道便會打開，使氫離子、鈉離子與鈣離子流入細胞，進而造成神經細胞的去極化（depolarization），如果流入的陽離子足以使神經元去極化的程度達到動作電位的閾值，則會使神經細胞產生動作電位。另一方面，抑制型的NpHR為氯離子幫浦，在接受黃橘光刺激之後，藉由使負離子流入神經元中以降低細胞的膜電位，造成細胞過極化（hyperpolarization）而大幅降低產生動作電位的可能性。除了較常見的NpHR外，另一種能使神經元膜電位降低的氫離子幫浦稱作古紫質（Archeorhodopsin, Arch），受光刺激活化的Arch能將帶正電荷的氫離子以主動運輸的方式排出細胞外，因而降低細胞的膜電位。......【更多內容請閱讀科學月刊第559期】