光遗传学（Optogenetics）是一种结合了光学和遗传工程技术的前沿科学方法，它允许科学家通过光照来精确控制经过基因改造后表达特定光敏感蛋白的细胞活动，将光信号转变为生物电信号，并进一步由控制光信号来控制神经生物活动。
这项技术的核心在于早期使用来自藻类和其他微生物的光敏蛋白（如通道视紫红质Channelrhodopsins、抑制性视紫红质Halorhodopsins等），这些蛋白质可以在接收到特定波长的光时改变其形状并开启或关闭离子通道，从而影响细胞膜电位。
那么在医学上，可以让带节奏的一束光来控制大脑思维及活动吗？如果在泌尿外科领域，甚至可以通过一束光来控制膀胱兴奋性，调节控尿和排尿，而真正模拟意识达到收放自如吗？
1.药物和电刺激调控神经元具有一定局限性
哺乳动物的大脑是一种复杂又精密的系统，大脑中约有数百亿的神经元相互连接，这些神经元分别具有不同的特性和“布线”模式，相互缠绕的神经元能够精确地交换毫秒级别的电信号，从而产生记忆、思考、感觉和情绪等多种生理活动。
多年以来，神经生物学家专注于解析神经元的具体功能。但研究手段存在局限性，无法特异性地操控某类神经元的活动。
科学家对此目标也尝试了许多种解决方法: 如试图使用药物操控，这种方法虽然可以特异性地操控某类神经元，但由于很难做到毫秒级别，缺乏时间精度; 也曾试图用电刺激某一类神经元，但因为电极的控制精度有限，往往对电极插入部位的所有神经元同时产生刺激作用，缺乏对目标神经元的选择性，且电刺激只能促进神经元放电，却不能抑制其放电。
因此这些方法都具有一定的缺陷性，并不能做到精细化操控神经元。光遗传学技术的出现为解决精细化调控神经元提供了一种全新思路。
2.光敏蛋白BR、HR、ChR的发现
1971 年，生物学家Dieter Oesterhelt和生理学家 Walther Stoeckenius 在细菌的细胞膜中，发现了一种紫红色物质含有视黄醛，因此将其命名为细菌视紫红质( bacteriorhodopsin，BR) 。
细菌视紫红质能够起到光传感器或光感受器的作用，当光照时能够吸取光子的能量，将质子泵出细胞。随着研究的深入，研究人员证明了细菌视紫红质为一种光控的氢离子通道。
在1977年科学家发现了主要介导氯离子细胞内流的卤视紫红质( halorhodopsin，HR) 。而2002年发现了这个蛋白质家族的另外一个成员视紫红质通道蛋白( channelrhodopsin，ChR)。
3.各国学者早期利用光遗传学技术治疗人体疾病的探索
2005年8月，拥有工程背景的Edward. S. Boyden和医学背景的Karl Deisseroth使用慢病毒载体将单个ChR2基因转入哺乳动物的神经元后，ChR2能够准确地表达在海马神经元的细胞膜上，且在不添加全反式视黄醛的条件下，蓝光照射表达外源性ChR2的神经元可以在50ms内引起阳离子的流入，神经元发生去极化效应，即神经元能够准确地对光做出反应。
这一新颖的发现正式拉开了光遗传学的序幕。后来，人们证实BR和HR也能够快速又准确地开启或终止神经元的活动。
除了上述提到的科学家，华人视觉科学家潘卓华( 美国韦恩州立大学) ，也提出了光敏蛋白ChR2在视网膜细胞上的表达，这一发现对治疗失明有很大的临床应用价值。
同期，Lynn T. Landmesser、Stefan Herlitze( 美国凯斯西储大学) 和 Hiromu Yawo( 东京大学生命科学研究院) 也分别发表了ChR2在哺乳动物细胞和神经细胞中的应用研究。
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编辑：吴梦霞
审核：黄鹏程
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