光遺傳學(xué)（optogenetics）又稱光刺激基因工程（optical stimulation plus genetic engineering），是一種通過(guò)光學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)在活體動(dòng)物腦內(nèi)精準(zhǔn)控制細(xì)胞行為的技術(shù)。由于其高度的時(shí)空特異性，光遺傳技術(shù)廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域。
2010年，光遺傳學(xué)技術(shù)榮膺Nature Methods 年度生命科學(xué)技術(shù)。 2010年，被Science認(rèn)為是近十年的突破之一。 光遺傳學(xué)技術(shù)再次被Nature Methods評(píng)為2016年值得關(guān)注的八項(xiàng)技術(shù)之一。 未來(lái)，光遺傳技術(shù)將對(duì)神經(jīng)及精神領(lǐng)域疾病的治療及神經(jīng)科學(xué)以外的組織功能研究貢獻(xiàn)更多力量。
一、光遺傳學(xué)之前
1979年，F(xiàn)rancis Crick提出，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域急需開(kāi)發(fā)出一種控制技術(shù)，進(jìn)而在不改變其它條件的情況下對(duì)大腦里的某種細(xì)胞進(jìn)行操控。由于電刺激信號(hào)（electrode）無(wú)法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行精確的定位刺激，而化學(xué)藥物起效速度慢，無(wú)法精確定時(shí)控制，于是Crick考慮是否可以利用光控技術(shù)。雖然微生物學(xué)家們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)一些可以表達(dá)可見(jiàn)光敏蛋白（visible light-gated protein），但當(dāng)時(shí)還沒(méi)人將此聯(lián)系在一起。
二、光遺傳學(xué)
1.光遺傳學(xué)的發(fā)展歷程
2005年8月Karl Deisseroth實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的一篇文章為神經(jīng)領(lǐng)域的科學(xué)家們帶來(lái)了一項(xiàng)期待已久的新技術(shù)——光遺傳學(xué)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于單組分控制工具——光敏蛋白的發(fā)現(xiàn)。
2.光遺傳學(xué)原理
2005年8月Karl Deisseroth實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的一篇文章為神經(jīng)領(lǐng)域的科學(xué)家們帶來(lái)了一項(xiàng)期待已久的新技術(shù)——光遺傳學(xué)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于單組分控制工具——光敏蛋白的發(fā)現(xiàn)。
利用光敏通道蛋白在微秒級(jí)別通過(guò)光控制某一特殊類型的神經(jīng)元。當(dāng)使用特定波長(zhǎng)的光照射神經(jīng)元時(shí)，細(xì)胞膜上的光敏感離子通道將加速細(xì)胞與細(xì)胞外界區(qū)域間陽(yáng)離子與陰離子的交換。光遺傳學(xué)實(shí)際上是通過(guò)基因改造，使特定的神經(jīng)元細(xì)胞展現(xiàn)出光敏感特性，同時(shí)不改變細(xì)胞的其他生理學(xué)特性。
光遺傳學(xué)的基本原理（以ChR2和NpHR為例）
3、光遺傳學(xué)操作步驟
在光遺傳操作中，細(xì)胞會(huì)表達(dá)特定的編碼光敏蛋白的基因，然后使用光來(lái)改變細(xì)胞的行為。光遺傳學(xué)技術(shù)的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：
4、光遺傳學(xué)所需的輔助技術(shù)
光遺傳學(xué)技術(shù)包括的范圍是廣泛的。主要包括以下幾種。
5、光遺傳學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)——高時(shí)空分辨率
光遺傳學(xué)技術(shù)在根本上解決了如何精確調(diào)控細(xì)胞行為的問(wèn)題。這基于其具有高度時(shí)空特異性的優(yōu)勢(shì)。光遺傳學(xué)技術(shù)在時(shí)間上控制精度可達(dá)毫秒（ms）級(jí)別，空間精度可達(dá)單個(gè)細(xì)胞級(jí)別，是電信號(hào)刺激和化學(xué)藥物所無(wú)法比擬的。
6、維真生物光敏通道蛋白
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光敏感通道蛋白名稱
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描述
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ChR2
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陽(yáng)離子通道蛋白，來(lái)源于萊茵衣藻
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ChR2(H134R)
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陽(yáng)離子通道蛋白，ChR2的突變體，可產(chǎn)生兩倍的光電流，但開(kāi)關(guān)速度比野生型ChR2慢一倍。
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ChETA
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陽(yáng)離子通道蛋白，ChR2的突變體，使神經(jīng)元在激光刺激下可以發(fā)出200Hz的峰值（其他只可達(dá)到40Hz）。
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C1V1
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陽(yáng)離子通道蛋白，由ChR1和由團(tuán)藻發(fā)現(xiàn)的VChR1組合在一起的通道蛋白，在紅色激光刺激下打開(kāi)通道。
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NpHR(Halorhodopsin)
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氯泵，在黃綠激光激活下會(huì)將氯離子打進(jìn)神經(jīng)元內(nèi)，而抑制神經(jīng)元活動(dòng)。NpHR3.0相比NpHR帶有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體輸出元件及來(lái)自鉀離子通道的膜元件，能夠?qū)崿F(xiàn)在神經(jīng)元細(xì)胞膜上的有效聚集。
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Arch T(Archaerhodopsin)
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質(zhì)子泵，在黃色激光激活下將帶正電的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外。在特定條件下，可用于增加細(xì)胞內(nèi)pH或減少細(xì)胞外基質(zhì)的pH。與NpHR相比，當(dāng)激光關(guān)閉時(shí)，Arch立即恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。Arch3.0相比NpHR帶有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體輸出元件及來(lái)自鉀離子通道的膜元件，能夠?qū)崿F(xiàn)在神經(jīng)元細(xì)胞膜上的有效聚集。
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7、維真光遺傳學(xué)產(chǎn)品列表
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