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2015年6月18日，日本理化学研究所宣布，他们已成功地让一只患有类似抑郁症的小鼠唤醒了其关于快乐事情的记忆，使其类似抑郁症的症状得以改善。这一研究团队曾于2014年将一只小鼠快乐的记忆替换为痛苦的记忆。这些实验的成功有助于解释抑郁与记忆的机制，引发了极大的关注。

这些研究直接控制了大脑的神经元，从外部对记忆进行操作，所使用的工具是光。也就是说，仅仅用光就能够操纵大脑中的记忆。

实验中所使用的动物并非普通的小鼠，而是植入了其他生物的基因，使体内的神经元能够生成对光产生反应的光敏蛋白的小鼠，是为了通过光照控制神经元而特别培养的实验动物（详细的原理将在后文介绍）。

这一方法被称为光遗传学（optogenetics），其中“opto”表示“光的”，“genetics”意为“遗传学”，是将能够改变动物基因的“遗传学”与控制神经反应的“光”组合而来的词语。

使用光遗传学进行实验的示意图

这一技术需要穿过小鼠的头骨，在脑中埋入光纤与支撑用的软管。小鼠头部的橘色部分表示用于固定软管的材料。对这只小鼠脑部的神经元进行光照，就能够直接研究神经网络与行为的关系，有望探明精神疾病的病因并开发新的疗法。

自2005年开发以来，光遗传学广泛应用于神经网络与行为的关系的研究，特别对于由大脑功能异常而引起的精神疾病（如抑郁症等）的病因探究有着极大的贡献。光遗传学不能直接应用于活生生的人类，但是可以通过研究小鼠等实验动物的精神疾病机制，来开发可用于人的疗法。

日本庆应义塾大学的特聘副教授田中谦二博士就在使用光遗传学从事神经网络的研究，他说：“过去对神经网络与行为关系的研究中，大多只能依赖观察，直接操作神经元是异常困难的事情，而光遗传学使其变得可能。”为什么神经元难以操作呢，首先需要理解神经元的特征。

如何打开神经元的“开关”？

神经系统从外部接收刺激、编译信息、对身体的运动发出指示，整个神经网络的协同作用使得人体活动自如。神经元主要存在于脑部，人的大脑中有超过1000亿个神经元。

神经元通过电流来传递信号。由一个个神经元连接而成的神经网络执行着各种各样的功能，比如使用语言、保持记忆、感知平衡等。人们可以通过脑电波来观察脑部的活动。脑电波是多个神经元中流动电流的总和，能够反映整个脑部或是其中一部分的电生理活动状况，并以波形的形式记录下来。

早在20世纪中叶，科学家们就已经知晓是带正电荷的钠离子引发了神经元内电流的产生。在神经元的静息状态下，钠离子大多数在细胞外，因此细胞外带正电荷，细胞内带负电荷。在这一情况下没有电流产生，神经元就处于“关闭”的状态。

那么又是什么引发了神经元的电流，将其“打开”为兴奋状态的呢？这是因为神经元的表面（细胞膜）有钠离子通道，可以使细胞外的钠离子通过它进入细胞内。在神经元“关闭”的状态下，钠离子通道是闭合的，此时钠离子无法通过。

在神经元受到刺激后，钠离子通道便会打开，使钠离子流入细胞内。一瞬间，大量的正电荷流入细胞内，使其从原先带负电荷的状态转变为带正电荷，从而产生电流。这就是神经元在“打开”时发生的现象。

顺带一提，打开的钠离子通道很快就会关闭，已经流入细胞的钠离子会通过其他通道流出。从钠离子通道打开到神经元内部回归原先带负电荷的状态，用时不过千分之几秒。

神经元可观察而不可控制

20世纪80年代以来，利用离子的运移，科学家们开发出了观察神经元是否处于“打开”状态的方法。通过与流入细胞中的离子相结合的荧光蛋白，人们可以分辨任意一个神经元是否处于兴奋状态。

可是直到2005年，能够自由控制神经元“开关”的技术，一直没有显著的进展。因此，神经网络与生物行为的详细关系也一直是一个未解之谜。

举例来说，人们通过观察得知，在小鼠跑动时，有两个神经元处于兴奋状态（详见上方图解）。这个实验只能说明小鼠的跑动与两个神经元的兴奋是有关系的，却无法得知是那两个神经元的兴奋导致了小鼠的跑动，还是小鼠跑动导致了神经元的兴奋。若想验证哪个假说是正确的，就必须人工使两个神经元兴奋，并确认其是否导致了小鼠的跑动行为。然而，当时人们并没有能够精确触发两个神经元兴奋的手段。田中博士说道：“若想弄清神经回路与行动模式间的关系，就必须对神经元进行操作，然而我们却对此无能为力。这着实令人焦急。”

而使神经科学家的梦想成为现实的，便是光遗传学。

（本文发表于《科学世界》2016年2期）