光遺傳學：利用光研究大腦與行為

諾貝爾生理學或醫學獎頒發給光調控離子通道與光遺傳學研究大腦。為表揚此項成就，我們將本篇文章獻給光遺傳學的過去與未來，包括其運作原理、工具的發展歷程，以及其如何與當今的行為學研究相結合。

 

研究人員對於大腦不同區域的功能已有相當豐富的了解。更困難的問題在於，究竟是哪些個別腦細胞負責特定的動作或反應。光遺傳學透過以光改變特定細胞之活性，協助研究人員探究此連結。

 

大腦研究的傳統方法

 

多年來，研究人員主要依賴藥物與電極來研究腦細胞如何影響行為。藥物可鎖定特定受體，但其作用需要時間，且其作用持續時間可能超出實驗所需。電極作用迅速，但電刺激也可能波及附近原本不是目標的細胞。

 

研究人員所需要的，是一種能在特定時刻控制特定細胞的方法，其操作方式更像是撥動電燈開關。

 

光如何賦予研究人員更多控制能力

 

科學家找到了一種方法，可將最初發現於藻類的光敏感蛋白導入哺乳動物的神經元，即神經細胞。此蛋白質稱為視蛋白，可對特定波長的光產生反應。此等蛋白質讓研究人員可以開啟或關閉特定神經元的活動，並對活動發生的位置與時間具有更為精細的控制。

 

此技術提供了早期方法所無法比擬的精確度。因此，Nature期刊在2010年將其評選為年度方法。這種光與遺傳學的結合稱為光遺傳學。

 

“光遺傳學是一種能夠對生物系統中精確界定的事件，進行目標性且快速控制的技術，其應用範圍可涵蓋像自由活動的哺乳動物一樣複雜的生物系統。” — Karl Deisseroth

 

早期實驗使用在動物體外研究的組織。隨後，研究人員轉向使用自由活動的動物，並透過植入的光纖將光傳送至腦部。自早期研究以來，相關工具持續不斷發展。光遺傳學所促成的各項發現並未被忽視：Karl Deisseroth（EthoVision使用者）、Peter Hegemann與Georg Nagel因其在光遺傳學方面的研究成果，於2026年獲頒諾貝爾生理學或醫學獎。

 

 

工具的發展歷程

為何顏色這麼重要，及其多年來的演變

 

最早的光遺傳學工具使用藍光。藍光在組織中會迅速散射並被吸收，使其難以到達表面下方超過數百微米的神經元。這表示必須將光纖放置在緊鄰研究細胞的位置。

 

較新且廣泛使用的視蛋白，包括ChrimsonR與Jaws，可對紅光產生反應。此視蛋白稱為紅移視蛋白。波長約620至700奈米的紅光與遠紅光，可在組織與骨骼中穿透更遠的距離，且造成的光相關損傷較少。例如，Jaws可透過完整的顱骨，抑制小鼠腦部深達3毫米處的神經活動。

 

使用多種顏色也賦予研究人員更多的控制能力。此方法稱為多工處理。藉由在同一腦部迴路中放置一種可活化神經元的紅光敏感蛋白，以及一種可抑制神經元的藍光敏感蛋白，研究人員可透過改變光的顏色，在這兩種影響之間進行切換。他們可在同一隻動物身上測試兩個方向的控制效果，而無需改變基因設定。

 

CaMPARI：標記曾處在活躍狀態的腦細胞

 

部分以光為基礎的工具可協助研究人員辨識在某一行為過程中哪些神經元處於活躍狀態，而非改變其活性。CaMPARI即為其中一例。CaMPARI由HHMI的Janelia Research Campus所開發，可留下一份供研究人員日後檢視的記錄，而無需於實驗期間在動物旁架設顯微鏡。

 

其全名為鈣調控光活化比率式整合器。這聽起來相當專業，但其概念十分簡單：處於活躍狀態的細胞會以顏色變化加以標記。

 

CaMPARI為一種蛋白質，細胞透過基因指令而製造此蛋白質。它通常會發出綠色螢光。當神經元處於活躍狀態時，其內部的鈣離子濃度會上升。若該細胞同時暴露於約400奈米的紫光或紫外光，CaMPARI會由綠色永久轉變為紅色。此種變化稱為光轉換。

 

研究人員在其想研究的行為或事件進行期間施加光照。僅在該時間內處於活躍狀態的神經元會轉變為紅色。紅色與綠色之比值反映鈣離子濃度，讓研究人員得到的是活性程度的測量值，而不僅僅是開啟或關閉的標示。由於此種顏色變化為永久性，研究人員可於事後檢視組織，並以個別細胞的層面繪製整個腦部的活性分布圖。

 

此特性讓行為實驗與顯微鏡操作可以分開進行。近期研究已使用CaMPARI2繪製受聲音驚嚇的自由活動斑馬魚幼魚全腦活性圖，並在成年果蠅接受不愉快刺激期間標記活躍的神經元。若為影像而將動物固定不動，將會干擾要研究的行為。

 

 

但有一個問題：用於標記細胞的光也可能影響行為。斑馬魚幼魚能夠感知紫外光，並可能對其產生迴避反應。因此，研究人員需考量標記用光本身可能成為動物所回應的刺激之一。

 

囓齒類動物中的CaMPARI

 

CaMPARI在活體動物中之首次測試使用囓齒類動物，而囓齒類動物的研究至今仍為活躍的研究領域。在早期的小鼠研究中，研究人員將其應用於視覺皮質，即腦部處理視覺資訊的區域。他們測量了個別神經元對不同角度視覺圖樣的反應強度。顏色變化的幅度與每個神經元反應的強度相符，表示CaMPARI能夠捕捉活性的差異。

 

從此之後，小鼠研究已利用CaMPARI繪製腦區之間的功能性連結，並研究神經元與星狀膠細胞，即另一類腦細胞之間的溝通。研究人員也已在小鼠自由活動的情況下，記錄大範圍腦組織的活性，而無需將其頭部固定，也無需讓其攜帶連接線或微型裝置。

 

在此方法中，研究人員在小鼠執行行為與認知任務期間，將標記用光照射在小鼠及其居住環境的上方。他們事後以雙光子顯微鏡檢視透過保存的組織。將實驗與影像分開進行，讓研究人員可以研究比活體影像實際可行範圍更大體積的皮質。此項研究顯示了在參與運動以及處理觸覺與身體感覺的腦區中，其活性存在與任務相關的差異。

 

CaMPARI也可與光遺傳學刺激結合，用於繪製新鮮製備的小鼠腦組織切片中的連結。研究人員利用光敏感蛋白視紫質通道蛋白，刺激來自某一腦區的神經纖維末端。接著，位於第二個腦區的CaMPARI會標記對這些訊號產生反應的神經元。在此配置中，單一光源既可刺激第一群細胞，也可標記下游產生反應的細胞，因此研究人員無需記錄細胞之電訊號，即可辨識這些連結。

 

光遺傳學的創新及其內部的創新

 

在一項簡單的行為實驗中，進入特定區域可觸發光脈衝。EthoVision的試驗與硬體控制功能可達成此目的，如下方的位置偏好範例所說明。此相同的概念現已延伸至無線植入裝置，以及對動物行為更為細緻的追蹤。

 

此常被稱為回饋控制：系統偵測行為或腦部活性的變化，並利用該資訊決定何時施加刺激。由人工智慧引導的工具可協助辨識觸發光照的動作或姿勢。

 

• 由動作或姿勢所觸發的刺激。即時追蹤工具如EthoVision，以及姿勢估計工具如DeepLabCut-Live，經常與刺激硬體搭配使用。依據不同的配置，身體或肢體的位置、行走模式或姿勢皆可觸發光照。
• 包含多隻動物的實驗。部分系統可追蹤多隻動物，並於特定社交互動期間觸發刺激。研究人員可在該互動發生的當下加以強化或中斷，藉以研究群體行為與社會階層。
• 全無線硬體。柔軟且可植入的探針搭載微型發光二極體，不再需要連接線。部分系統也整合追蹤功能，讓刺激與行為測量可以在不與動物產生實體連接的情況下進行。

 

其根本問題依然相同：腦部活性的特定變化如何影響行為？這些工具賦予研究人員對觸發條件更精確的控制，並讓實驗有更多環節可以自動化。

 

光遺傳學和EthoVision

 

EthoVision結合了行為追蹤與控制刺激的程式化訊號。多項行之有年的實驗展示了此方法在實際操作中如何運作。

 

即時位置偏好：動物會尋求或迴避刺激嗎？

 

在即時位置偏好測試中，動物會探索一個具有兩個不同側區的長方形場域。進入其中一側會觸發光遺傳學刺激。活化或抑制目標神經元，可使該經驗變得具獎賞性或讓動物感到不愉快。

 

研究人員接著觀察動物在各次實驗中選擇將時間花在何處。在受刺激側停留較長時間，顯示具獎賞性；迴避該側，則顯示具厭惡性，即不愉快的影響。

 

EthoVision的試驗與硬體控制功能可將所選定的區域與觸發訊號相連結。訊號會經由輸入／輸出（I/O）盒傳送，以開啟光源。研究人員也可定義多個區域，每個區域各自連結不同的刺激頻率或光源。

 

測試對焦慮相關行為的影響

 

研究人員可採用類似的方法，測試刺激某一群神經元是否會降低或增加焦慮相關行為。例如，高架十字迷宮測試可採用關－開－關，即ABA之設計：刺激於開始時為關閉，於中段持續一段設定的時間為開啟，並於結束時再次關閉。若動物於刺激期間在開放臂中停留的時間顯著增加，此結果顯示具有降低焦慮的影響。

 

運動與學習任務

 

研究人員也可測量刺激如何改變動物在開放場域中的運動，包括速度、整體活動量與轉向行為。這些測量指標有助於將特定神經元的活性與動物的行為表現相連結。

 

觸發條件不必然取決於位置。

 

試驗與硬體控制功能也可對偵測到的動作作出回應，例如鼻觸或壓桿。這可讓操作制約學習任務自動化，在此類任務中，動物會學習到某一動作將導致具獎賞性或令其不愉快的結果。

 

光遺傳學的未來走向

 

光遺傳學已成為研究腦部迴路如何運作的標準工具，而非像2012年時仍屬新興的技術。其應用範圍仍在持續擴大。

 

紅移視蛋白與使用多種光色的實驗，是以侵入性較低的方法觸及更深層組織，並對活性進行雙向控制成為常規作法。CaMPARI增加了一種辨識在某一行為過程中哪些細胞處於活躍狀態的方法。無線系統、回饋控制與人工智慧引導的行為分析，讓過去依賴人工觸發的實驗可以自動化。

 

研究經費持續支持此項工作。美國國家衛生研究院的BRAIN Initiative為美國最大的神經科技工具開發資助者，根據《21世紀治癒法案》，其至2026年止額外獲得15億美元的經費。其定期發布的經費徵求項目，包括用於記錄與改變神經活動的新工具，其中也涵蓋光遺傳學。

 

對於規劃進行位置偏好測試，或包含多個區域與刺激頻率之實驗的研究人員而言，EthoVision提供了一種將行為追蹤與光照傳遞相連結的方式。試驗與硬體控制功能負責處理程式化的觸發，讓刺激在實驗需要的時機發生。

 

參考資料

 

1. Deisseroth, K. Optogenetics. Nat. Methods 2011, 8, 26–29.
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