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 巧妙結合工學和遺傳學，神經科學家可以前所未有的準確度，描繪、甚至控制腦內的神經線路。

撰文╱麥森伯克（Gero Miesenboeck）　翻譯╱涂可欣

重點提要
■神經科學家研究腦細胞功能的傳統方法，是刺激細胞然後以電極紀錄它們的活性，但這種間接的方法很難用來分析特定神經元。
■遺傳工程和光學結合而成的光學遺傳學，可以觀察並控制一群神經元，讓研究人員能夠詳查個別的神經線路，革新腦功能的研究。

1937年，英國牛津大學偉大的神經科學家薛林頓（Sir Charles Scott Sherrington）對腦的運作提出了一段經典的描述。他想像腦內有些光點象徵著神經細胞的活性和細胞間的聯繫，人在熟睡時，整個腦部只有幾處零星散 落的光點閃爍，看起來宛如星空；但清醒時，那畫面如同「銀河跳起了某種宇宙之舞，腦部立刻變成魔法織布機，百萬條閃亮的光束來回穿梭，編織著若隱若現的圖 案，這些圖案有意義卻無法持久，是一些不斷和諧地轉變著的小圖案。」

薛林頓可能不知道，他詩意的比喻隱藏了一個重要的科學觀念：我們可以透過光來揭露腦部的運作。神經元之間如何互相合作進而產生思想和行為，一直是生物學最 大的難題，主要就是因為科學家無法看到完整的神經線路運作。神經學的標準研究方法是利用電極去探測一、兩個神經元的活動，這只能揭露巨大拼圖的一角，我們 還缺少太多拼圖片去拼湊出完整的面貌，如果我們能看見神經元間的溝通與聯繫，或許就能夠推想腦部線路的排列和功能。這個誘人的想法鼓舞著神經科學家去嘗試 落實薛林頓的先見。

他們的努力創造了一門新興領域：光學遺傳學（optogenetics），結合遺傳工程學和光學來研究特定細胞類型。研究人員已經成功揭示各種神經元群的 功能，甚至只要打開光源，就可以遙控神經元，這些進展讓人對光學遺傳學寄予厚望，或許有朝一日，它能協助神經科學家看清楚腦部的線路，甚至幫助醫生治療特 定疾病。

感應神經元電壓的染料

1970年代起，科學家開始認真希望實現薛林頓的想像。神經系統和電腦一樣，都是透過電來運作；神經元以電訊號，或稱動作電位（action potential）來傳遞資訊，這些電脈衝（電壓低於AA電池的1/10）會誘導神經細胞釋放神經傳遞物，能夠活化或抑制線路中相連的細胞。為了看見這 些電訊號，美國耶魯大學的柯恩（Lawrence B. Cohen）測試了各式各樣的螢光染料，看它們是否會隨著電壓的增減而變換顏色或亮度，結果他發現有些染料確實具有感測電壓的光學特性，將這些染料染神經 元後，就可在顯微鏡下觀察細胞的活動。

此外，有些染料能感測特定離子的流動，同樣也可顯示神經細胞的活動。當神經元產生動作電位時，細胞膜上的通道會打開，讓鈣離子流入細胞，湧入的鈣離子會刺 激神經傳遞物的釋放。現任教於美國加州大學聖地牙哥分校的錢永健，在1980年開始合成可隨鈣離子濃度變化而增減亮度的螢光染料，這些光學標記果然不同凡 響，為科學開啟了一扇新的窗子，讓我們能窺見單一神經元和小型神經網絡的資訊處理。

然而合成的染料有嚴重的缺點。舉例來說，神經組織是由許多不同類型的細胞構成，小鼠的腦估計約含有數百種神經元和種類繁多的支持細胞，由於神經資訊處理倚 靠的是不同種類神經元間的交互作用，想了解某一神經線路的運作，必須找出並監測線路中的各個成員，同時還要能掌握它們啟動（產生動作電位）和關閉的時機合 成染料會毫無選擇地將所有細胞染色，因此無法用這些光信號來追蹤特定類型的細胞。