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2014-03-01從單胞藻到腦神經細胞
531 期
Author 作者
李志昌／任職加拿大多倫多大學牙醫學院。
單胞藻（Chlamydomonas reinhardtii），大小約10μm （1 μm ＝ 10-6 公尺），一種淡水中常見的單細胞藻類。兩根長長的鞭毛，讓它們可以在水中以螺旋的方式前進（圖一），遇到光刺激時，它們會改變行進的方向，其眼點具有很靈敏的感光能力，單一光子便足以引起其運動的改變。這樣的單細胞藻類與腦神經細胞之間會有什麼關係呢？
圖一：單胞藻為球狀，有兩根鞭毛，以螺旋翻滾方式游泳，光線刺激可改變其行進路徑。
（作者改編自Kriiger與黑格曼論文）
單胞藻的感光與運動控制機制的研究，源於1990年左右德國的科學家黑格曼（Peter Hegemann）等人所進行的一系列實驗。而其最重大的研究成果是內格爾（George Nagel）等人在 2002與 2003年， 發表該團隊研究單胞藻所發現的兩種感光蛋白質：光敏感通道蛋白–1（Channelrhodopsin-1, ChR1）與光敏感通道蛋白–2（Channelrhodopsin-2, ChR2），以及它們的基因序列。不僅如此，他們還將這些基因植入蛙卵細胞（oocytes of Xenopus laevis）或人類胚胎腎細胞（HEK293）使其製造原本只在單胞藻才有的 ChR1或 ChR2感光蛋白質。結果在光線的刺激下，蛙卵細胞或人類胚胎腎細胞竟然可以對光線刺激起反應。光線刺激會造成ChR1與 ChR2的蛋白質結構改變形狀，將通道打開，選擇性地讓質子流（H+）通過ChR1通道，或是正離子流（Na+, K+, Ca2+）通過ChR2通道（圖二）。在這些被植入ChR1或ChR2基因而表現出感光蛋白質的細胞上，他們成功地記錄到光線刺激引起的電訊號變化。
圖二：光敏感通道蛋白質ChR1與ChR2的結構圖。
兩者皆是離子通道，在光線刺激下，通道會打開，ChR1可選擇性地讓質子流（H+）通過，ChR2則是選擇性地讓正離子通過。
（作者改編自Sineshchekov論文）
2005年，在史丹福大學代塞爾羅思（Karl Deisseroth）的實驗室，博依登（Edward Boyden）等人成功地將ChR2基因植入體外培養的神經細胞（取自大白鼠海馬回），在顯微鏡下以電極記錄細胞內的電位變化。經光纖傳導的藍光鐳射照射下，神經細胞開始興奮產生動作電位，他們可以用鐳射光激發神經細胞的活動，精確度高達千分之一秒的等級（圖三）。
圖三：植入ChR2基因的神經細胞，在藍光鐳射下可以刺激神經，使膜電位產生去極化反應。
（作者改編自博依登論文）
2007年，這個史丹福大學的實驗室，成功培養出 ChR2的基因轉殖小鼠（ChR2 transgenic mice）。他們在小鼠的大腦皮質控制肢體運動的區域，埋設記錄電極與光纖，成功地在活體上記錄到鐳射刺激所激發的神經活動。這隻基因轉殖小鼠在藍光鐳射刺激下，大腦運動區開始放電，結果你會看到小鼠像參加百米賽跑一般，啟動雷射有如鳴槍開跑，只見小鼠開始繞圈狂奔，直到藍光鐳射關閉後才慢下腳步。
2009年，MIT媒體實驗室（MIT Media Lab, Synthetic Neurobiology Group）的韓雪（Xue Han）等人，以慢病毒（Lentivirus）當作載體，成功地將ChR2基因植入猴子的大腦皮層中，使猴子的大腦神經細胞可以生產感光的蛋白質ChR2，並能對藍光鐳射產生反應（圖四）。這個在猴子腦部完成的實驗，具有重要的指標意義，病毒載體將來自異種生物的ChR2基因，植入靈長類腦內的特定類型神經細胞後，是否會干擾原本正常神經系統的運作？是否會引起免疫反應來對抗這些原來不屬於這個系統的外來物質？這些都是關係到這個方法可否進一步應用於人體臨床上的關鍵。可喜的是這個實驗的結論，基本上證明這個方法，至少在實驗操作的幾個月觀察期中，在猴子身上是安全的。.....【更多內容請閱讀科學月刊第531期】
圖四：猴子大腦皮層ChR2之表現以及藍光鐳射刺激示意圖。
將設計好的ChR2與綠螢光蛋白GFP的基因片段，以慢病毒當作載體，將基因植入猴子的大腦皮層中。
在記錄的半年內，藍光鐳射可誘發大腦皮層神經細胞產生反應。
（作者改編自韓雪論文）