比鄰星

光改變記憶?

實(shí)驗(yàn)鼠本鼠

光遺傳學(xué)領(lǐng)域的3位科學(xué)家獲2021年拉斯克獎(jiǎng)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎(jiǎng)

能感光的綠藻

R走進(jìn)了一間藍(lán)色的屋子，他沒(méi)有特別的任務(wù)，只需要記下自己曾來(lái)過(guò)這里。這不是什么難事，簡(jiǎn)單踱步后，R離開(kāi)了藍(lán)屋。他的下一個(gè)目的地是紅色的房間。紅屋和藍(lán)屋一樣空蕩，可跨入第一步，R就覺(jué)得有些不對(duì)勁。腳底酥酥麻麻，好像渾身通了電，這很不舒服。忽然，他的頭頂照下了一束光，一切都不一樣了。他覺(jué)得自己瞬間回到了藍(lán)屋，他不斷問(wèn)自己——這里到底是什么顏色的房間？

光滅了，R的眼前又是紅色的墻壁，地板也變回了舒服的樣子。沒(méi)有電流，沒(méi)有痛苦。還剩最后一個(gè)任務(wù)，再次走回沒(méi)有危險(xiǎn)的藍(lán)屋。可當(dāng)R推開(kāi)藍(lán)屋的大門(mén)時(shí)，腦海中突然涌出了一些可怕的回憶。他記起這里的地板讓人難受，于是一動(dòng)不動(dòng)地站在了門(mén)口……

顯然，R被植入了一段錯(cuò)誤的記憶。有電流的是紅屋，但在R的記憶中，自己是在藍(lán)屋被電擊的。這是一段真實(shí)的故事，它發(fā)生于麻省理工的一間神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，主角R是只老鼠。背后用到的技術(shù)，就是剛剛收獲拉斯克獎(jiǎng)的光遺傳學(xué)。

光為什么能篡改記憶？讓我們先從自然界中一種簡(jiǎn)單而平凡的生物——綠藻說(shuō)起。當(dāng)你用光照射綠藻時(shí)，它們會(huì)主動(dòng)向光源方向移動(dòng)，這一特性被稱(chēng)為趨光性。但綠藻是種單細(xì)胞生物，它們沒(méi)有眼睛，又怎么能看到光呢？

秘密在細(xì)胞膜上。綠藻的細(xì)胞膜上有一些特殊的蛋白質(zhì)，它們本質(zhì)是種離子通道。當(dāng)這個(gè)通道開(kāi)啟時(shí)，陽(yáng)離子會(huì)流入細(xì)胞內(nèi)，此時(shí)細(xì)胞將被激活處于興奮狀態(tài)。但這個(gè)通道設(shè)了一個(gè)門(mén)，就像我們可以刷臉或者刷指紋來(lái)開(kāi)門(mén)，這道離子通道的門(mén)，刷的是“光”。

當(dāng)某些波長(zhǎng)的光照向蛋白，通道就會(huì)開(kāi)啟，細(xì)胞隨之激活。換句話說(shuō)，這種蛋白可以感應(yīng)光，起到了眼睛的作用。它的學(xué)名叫通道視紫紅質(zhì)（ChR），我們暫且把它叫“綠藻的眼睛”。

類(lèi)似的感光蛋白也存在于你的視網(wǎng)膜中，但其他位置的神經(jīng)元上沒(méi)有。這能證實(shí)一件顯而易見(jiàn)的事——假如你被蒙著眼，一道冷光照到腿上，你不會(huì)有任何感覺(jué)。因?yàn)橥壬蠜](méi)有感光蛋白，所以你的腿不覺(jué)得自己變亮了。但如果我們給腿部的某些細(xì)胞裝上“綠藻的眼睛”呢？或者直接給腦子里的某些神經(jīng)元裝上？這就是光遺傳學(xué)。

光遺傳學(xué)的故事

大腦中的神經(jīng)元錯(cuò)綜復(fù)雜

人的大腦中有860億神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元平均能與上千個(gè)其他神經(jīng)元連接。在錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中鎖定某幾根神經(jīng)元的確太難了，比在凌亂的房間里找貓更難！科學(xué)家一直在嘗試不同的方式，激活特定的神經(jīng)元。

由于神經(jīng)元傳遞信號(hào)的方式有電信號(hào)和化學(xué)信號(hào)兩種，他們首先想到的，自然是利用電流或者是特定的藥物（起到神經(jīng)遞質(zhì)的作用）來(lái)操控神經(jīng)元。但這兩種方式的弊端都很明顯，電刺激足夠快，但是一電就電一片，無(wú)法精準(zhǔn)操控。藥物要隨著全身血液循環(huán)，不僅難以操控，而且起效有延遲。它們都不是最理想的方式。

那么光呢？光可太快了，沒(méi)有什么能比光速更快，這樣的作用絕對(duì)夠及時(shí)。至于精準(zhǔn)操控這點(diǎn)，就需要“遺傳學(xué)”來(lái)介入了。粗暴地說(shuō)，就是給選定的神經(jīng)元轉(zhuǎn)入“綠藻眼睛”的基因，這樣一來(lái)，當(dāng)對(duì)著腦部照射光束時(shí)，只有那部分長(zhǎng)著“眼睛”的神經(jīng)元會(huì)興奮。如果此時(shí)動(dòng)物表現(xiàn)出了不一樣的行為，就可以直接說(shuō)明選定的神經(jīng)元對(duì)應(yīng)著該行為。

事情好辦多了。目前的技術(shù)已經(jīng)篩選出了不少神經(jīng)元的特異性標(biāo)簽，利用這些標(biāo)簽就能讓外來(lái)基因在特定的神經(jīng)元表達(dá)。舉個(gè)例子，已知果蠅喜歡避光，這個(gè)行為被特定的神經(jīng)元控制。假如借助病毒在這些神經(jīng)元中表達(dá)“綠藻眼睛”的基因，再用光照射果蠅，果蠅就會(huì)逃跑。但果蠅也有眼睛，它們本身就能看到光啊。于是為了排除干擾，研究者把果蠅的腦袋揪掉了。此時(shí)果蠅仍可短暫存活，并且胸部保留有部分控制逃跑的神經(jīng)元。再把光照向果蠅，無(wú)頭果蠅依然迅速逃跑。

這束光成功操控了果蠅的逃跑反應(yīng)。類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)也發(fā)生在小鼠身上，頭頂光線的小老鼠可以利用相同的原理產(chǎn)生虛假的飽腹感，以及開(kāi)頭故事中提到的虛假記憶。知道了背景后再去看R的故事，因果關(guān)系就明朗多了。當(dāng)R第一次走進(jìn)藍(lán)屋（其實(shí)就是把小鼠放進(jìn)藍(lán)色的盒子），它產(chǎn)生了關(guān)于來(lái)過(guò)這里的記憶。這部分記憶由海馬體特定的神經(jīng)元產(chǎn)生，研究者在這部分神經(jīng)元中轉(zhuǎn)入了感光蛋白基因。

當(dāng)R進(jìn)入紅屋后，研究者用光激活了這部分記憶神經(jīng)元。此時(shí)關(guān)于藍(lán)屋的記憶被強(qiáng)制喚醒，當(dāng)R的足底受到電擊時(shí)，會(huì)自然而然地把兩件事聯(lián)系到一起。它的記憶變成了“藍(lán)屋中有足底電擊”。最后再次踏入藍(lán)屋，映入眼簾的場(chǎng)景引出了已有的錯(cuò)誤記憶。R很恐懼，會(huì)表現(xiàn)出小鼠的“定格”反應(yīng)，就像被車(chē)燈照射的小鹿。

讓神經(jīng)元長(zhǎng)出“綠藻的眼睛”，它就能被光激活了

海馬體中一叢叢的神經(jīng)元

關(guān)于光遺傳學(xué)的故事還有很多，這里介紹的只是冰山一角。當(dāng)小編第一次走進(jìn)神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，導(dǎo)師發(fā)給我的就是一篇關(guān)于光遺傳學(xué)的論文。那是我的專(zhuān)業(yè)啟蒙讀物，看到一束光就能讓神經(jīng)生物學(xué)家操控動(dòng)物的行為、書(shū)寫(xiě)它們的記憶時(shí)，我很快想到了科幻電影《暖暖內(nèi)含光》，以及《三體》中的思想鋼印。

在神經(jīng)生物學(xué)家眼中，記憶就是一塊海馬體磁盤(pán)，而意志的本質(zhì)也是物質(zhì)。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號(hào)，有刪節(jié)）