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光遗传学（Optogenetics）是结合了光学（Optics）及遗传学（Genetics）的技术，能在活体动物 甚至是自由运动的动物脑内，精准地控制特定种类神经元的活动。光遗传学在时间上的精确度可达到毫秒级别，在空间上的精确度 则能达到单个细胞级别。
2010年，光遗传学被Nature Methods选为年度方法，同年被Science认为是近十年来的突破之一。 这项技术目前在神经科学领域应用非常广泛，未来可能会应用于多种神经和精神疾病的治疗，如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓 损伤、精神分裂症等（图1）。
图1. 光遗传学技术
光遗传学的基本原理
光遗传技术的基本原理如图2所示。首先，给神经元转入膜通道蛋白，如ChR2或NpHR。对于ChR2来 说，当有473nm的蓝色激光照射时，这些通道蛋白的通道打开，允许阳离子（如Na+）大量内流，产生动作电位，即让神经元处于兴 奋状态。对于NpHR来说，当有580nm的黄色激光照射时，这些通道蛋白的通道打开，允许Cl-通过，使神经元一直处于静息电位，即 让神经元保持静息状态。
图2. 光遗传学的基本原理（以ChR2和NpHR为例）
光遗传学技术的研究步骤
光遗传学技术的应用主要包括以下几个关键步骤（图3）：
1、需要寻找合适的光敏蛋白：例如起兴奋神经元作用的Channelrhodopsin-2（ChR2），起抑制神 经元作用的Halorhodopsin（NpHR）和Archaerhodopsin（Arch）等，这类蛋白质具有天然的光敏性，或经过修饰后具有光敏性；
2、将遗传信息传递给靶细胞：一般通过病毒转导、转染、转基因动物等方式将光敏蛋白的遗传信 息传递给靶细胞；
3、可控性演示：即通过导入光纤、控制激光来实现对神经元活动的精确控制；
4、实验方法的有效性验证：一般采用电极记录神经元细胞膜内外电压变化，以此验证光敏感蛋白 的有效性；
5、表型检测：通过行为学测试来评估神经元活动对动物行为的影响。
图3. 光遗传学实验基本步骤（以ChR2为例）
几种激活神经元的通道蛋白
1、ChR2(H134R)：ChR2的突变体，将第134个氨基酸由组胺酸突变为精胺酸，该蛋白质可以产生两 倍的光电流，但通道开关速度也比野生的ChR2慢了一倍；
2、ChR2(C128S/D156A): ChR2的突变体，超灵敏光敏感通道，用蓝色激光打开通道，然后用绿色或 黄色激光关闭通道，可以打开其离子通道长达30分钟；
3、ChR2(E123T/T159C): ChR2的突变体，更大的光电流和更快的动力学变化；
4、ChETA：ChR2的突变体，使得神经元在激光刺激下可以发放200Hz的spike，而其他的ChR2 通道 蛋白只能达到40Hz；
5、C1V1：由ChR1及由团藻发现的VChR1组合在一起的通道蛋白，在红色激光刺激下打开通道。
几种抑制神经元活动的通道蛋白
1、NpHR：即为Halorhodopsin，第一个有效抑制神经元活动的光遗传学工具，在黄绿激光照射下会 将氯离子打进神经元内，而抑制神经元活动。当把NpHR表达在哺乳动物脑内时，会聚集在内质网上，而如果将内质网输出元件加在 NpHR基因序列后面，这样可以使得NpHR在胞内高量表达，而且不会聚集在内质网上，这样修改过的NpHR被称为eNpHR2.0。但是 eNpHR2.0在细胞膜的聚集仍然不够，而将一个高尔基体输出元件和来自于钾离子通道Kir2.1的上膜元件加在eNpHR2.0基因序列后面 ，这样就能实现在神经元细胞膜上的高量聚集，这样修改过的NpHR被称为eNpHR3.0；
2、Arch：即为Archaerhodopsin，是一种黄色激光激活的外向整流质子泵，能够将带正电的质子从 神经元内移动到细胞外环境中，使神经元处于超极化状态，从而保证神经元处于静息状态。在特定条件下，可用于增加细胞内pH或 减少细胞外基质pH。和NpHR相比，当激光关闭的时候，Arch立即从通道打开状态恢复到关闭状态。
3、Mac:即为 Leptosphaeria maculans fungal opsins，蓝色激光激活的质子泵，能够将带正电的 质子从神经元内移动到细胞外环境中，使神经元保持超极化状态，从而保证神经元处于静息状态。
结语
光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点，克服了传统手段控制细胞或有机 体活动的许多缺点，能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学领域的研究状况，为神经科学提供了革命 性的研究手段。光遗传技术在将来还有可能发展出一系列针对中枢神经系统疾病的新疗法。
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