點亮大腦，這個在成功學和管理學中經(jīng)常提及的事兒，竟然真讓科學家搞出來了。

埃默里大學（Emory University School of Medicine）的研究人員開發(fā)了一種名為光化遺傳學（optochemogenetics）的技術(shù)，通過在大腦細胞表面創(chuàng)造一種發(fā)光蛋白，成功讓大腦神經(jīng)元發(fā)光。

大腦自形成以來的數(shù)億年中，一直處于漆黑一片的環(huán)境，并未演化出發(fā)光的能力。那么，有個問題必須回答，這項成果到底有什么用？

實際上，移植神經(jīng)祖細胞以恢復(fù)失去的大腦神經(jīng)元功能，是一種很有希望的中風患者康復(fù)策略，但是干細胞移植也面臨著諸多問題，尤其是這些移植的神經(jīng)祖細胞需要一定的刺激和誘導，才能實現(xiàn)大腦受損功能的恢復(fù)。

而為了向移植的干細胞提供這種幫助，研究人員希望通過這種改進版的光遺傳學（optogenetics）技術(shù)，可以不用開顱，以非侵入方式在大腦內(nèi)產(chǎn)生光刺激，從而誘導移植神經(jīng)祖細胞的生長和分化。

在中風小鼠實驗中，研究人員通過基因工程技術(shù)，將編碼發(fā)光蛋白和感光蛋白的基因引入誘導多能干細胞，培養(yǎng)形成神經(jīng)祖細胞后植入小鼠大腦，然后通過繞過血腦屏障的鼻內(nèi)遞送熒光素酶底物，激活腦內(nèi)細胞表面發(fā)光蛋白產(chǎn)生光刺激，從而選擇性地誘導神經(jīng)祖細胞的增殖、分化。

結(jié)果顯示，與未接受刺激的干細胞相比，這種名為光化遺傳學的新型非侵入性技術(shù)能夠讓植入的干細胞變得更健康，形成更多的神經(jīng)連接，中風小鼠的大腦也顯示出最大的恢復(fù)，一些行為和癥狀成功恢復(fù)到中風前水平。

（來源：EPFL, Human Brain Project）

這項最新成果于本月初發(fā)表在?Journal of Neuroscience?上。

論文第一作者、埃默里大學醫(yī)學院麻醉科終身教授于山平在接受 DeepTech 采訪時表示，“這項研究對于目前普遍的在細胞移植后對移植細胞置之不理的做法是一個突破?！笨紤]到光在人腦中的非常有限的傳播和光源植入的有創(chuàng)性，光遺傳學的廣泛臨床應(yīng)用幾乎是不太可能的，而光化遺傳學這種無創(chuàng)性的持續(xù)干預(yù)療法，可以說是帶有革命性的改進，多個行為學的結(jié)果也證明，中風小鼠的多項指標可恢復(fù)到正常水平。

當中風迎來干細胞治療

中風是影響人類健康的最主要風險因素之一，也是造成當今中國人口死亡的頭號病因。和心臟病發(fā)作等其它缺血性疾病一樣，腦中風是由血管阻塞而阻礙血液流向大腦組織所致。

中風和心臟病發(fā)作時，缺血和缺氧分別會造成大腦神經(jīng)元和心肌細胞不可逆轉(zhuǎn)的損傷和死亡。以中風為例，往往突然發(fā)作，出現(xiàn)昏倒、半身不遂、口舌歪斜等癥狀，具有極高的病死率和致殘率。盡管人們對于中風發(fā)生機制的了解越來越深，但目前仍然缺乏有效的治療藥物，逆轉(zhuǎn)缺血性中風對大腦造成的不可逆損傷。

圖 | 中風（來源：The Lancet）

近年來，隨著干細胞技術(shù)的不斷發(fā)展，細胞移植等再生療法為腦損傷后的組織修復(fù)和功能恢復(fù)提供了一種有前景的策略。

2006 年，日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）成功將成體細胞轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導多能干細胞（induced pluripotent stemcells，iPSC），并因此而獲得 2012 年諾貝爾生理或醫(yī)學獎。

由于其易獲得性、分化潛能和臨床相關(guān)性，誘導多能干細胞技術(shù)的出現(xiàn)，極大地推動了干細胞和再生醫(yī)學的發(fā)展，特別是為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的再生治療帶來了光明前景。在中風動物模型中，移植由誘導多能干細胞分化的神經(jīng)祖細胞，已經(jīng)顯示出具有細胞替代、營養(yǎng)支持增加和功能改善的潛力。

圖 | iPSC 衍生的神經(jīng)元（來源：uq.edu.au）

不過，干細胞治療并非將干細胞移植到受損組織，然后靜觀其變那么簡單。在神經(jīng)細胞再生治療過程中，移植神經(jīng)祖細胞的受控生長和分化，以及與現(xiàn)有神經(jīng)回路的重新連接，仍是十分關(guān)鍵的步驟和挑戰(zhàn)。

就像發(fā)育過程中大腦未成熟的神經(jīng)元一樣，移植到成人大腦中 iPS 細胞衍生的神經(jīng)祖細胞，其命運和功能表型取決于移植部位的微環(huán)境。神經(jīng)電活動和由此產(chǎn)生細胞信號，是影響神經(jīng)祖細胞分化的關(guān)鍵因素。因此，在干細胞移植后，適當?shù)拇碳ず驼T導，對于神經(jīng)元分化和成熟、細胞存活，以及神經(jīng)突出的可塑性和特定功能形成至關(guān)重要。

在這項最新研究中，研究人員認為，對移植細胞的選擇性刺激，可以在中風的大腦組織中為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再生和功能恢復(fù)提供良好的微環(huán)境和條件，以保障和提高細胞的存活、分化、營養(yǎng)因子合成分泌、突觸形成和網(wǎng)絡(luò)連接。

“僅僅把這些細胞植入受損的大腦，然后不管不問是不夠的。如果我們期望祖細胞分化成功能性神經(jīng)元，這些細胞就必須接受模仿它們在大腦中的刺激，還需要合適的生長因子和支持下環(huán)境?！庇谏狡浇淌诒硎?。

大腦說：要有光！

但是，面對復(fù)雜且精密的大腦神經(jīng)元，想要實現(xiàn)對其生長和分化的精確操控，科學家們一時也無從下手。這個時候，就需要一種革命性技術(shù)的出現(xiàn)。

2005 年，斯坦福大學 Karl Deisseroth 實驗室發(fā)明的光遺傳學（optogenetics）技術(shù)，就徹底改變了神經(jīng)科學領(lǐng)域。光遺傳學技術(shù)是通過基因工程技術(shù)將光感蛋白基因轉(zhuǎn)入特定類型的神經(jīng)細胞，使其在神經(jīng)細胞表明形成光感離子通道，在不同波長的光照刺激下，光感離子通道會對細胞膜陽離子或陰離子的通過產(chǎn)生選擇性，從而實現(xiàn)對神經(jīng)元選擇性興奮或抑制的目的。

可以說，光遺傳學技術(shù)使得科學家們僅通過光照，就能實現(xiàn)對神經(jīng)元毫秒級的操控，不僅為深入理解大腦奧秘、神經(jīng)系統(tǒng)疾病機制提供了革命性工具，也為多種復(fù)雜疾病的治療帶來了光明前景。光遺傳學技術(shù)也被認為是將獲諾獎的熱門技術(shù)之一。

圖 | 光遺傳學技術(shù)（來源：Stanford University）

雖然光遺傳學技術(shù)為在復(fù)雜神經(jīng)回路環(huán)境下精確操縱神經(jīng)活動，提供了前所未有的能力，但光照傳遞仍然是限制其在體內(nèi)臨床應(yīng)用的主要障礙。當進行體內(nèi)試驗時，如何向大腦深部進行光傳遞，就成了擺在科學家面前的技術(shù)挑戰(zhàn)。

當前將光傳輸?shù)酱竽X最常見的解決方案，是通過手術(shù)植入的光纖與外部光源耦合。但是，這些長期植入的光纖不僅會帶來感染和組織損傷的風險，而且在自由移動的動物身上進行實驗，還會增加不少實際障礙。由于光線的散射和組織的吸收，外部光線通過大腦的傳輸效率也非常低。事實上，大多數(shù)從植入的光纖發(fā)出的光，在光纖尖端1毫米內(nèi)就完全衰減。

“光遺傳學是一種極好的技術(shù)工具，但它在臨床應(yīng)用中存在一些障礙?！庇谏狡浇淌诒硎?，“光纖傳輸具有侵入性，而且光的傳播距離有限，尤其是在更大范圍的人腦內(nèi)。”

光遺傳學在心臟等其他組織的應(yīng)用，也面臨著類似的挑戰(zhàn)。雖然在開發(fā)需要更少光照的光遺傳學工具（即更敏感和紅移的光感蛋白）方面已經(jīng)取得了進展，但這種方法在非人類靈長類動物或人類患者身上的可擴展性仍不清楚。

為此，埃默里大學醫(yī)學院和喬治亞理工學院的研究人員開發(fā)了一種光化遺傳學技術(shù)，具體而言，他們創(chuàng)造了一種光化學復(fù)合蛋白（luminopsin），作為激活光感蛋白的替代光源。這種“發(fā)光蛋白”，來源于生活在深海中的藻類和海洋橈腳類動物（Gaussia princeps），其能夠在一種化學底物熒光素CTZ （coelenterazine）存在時發(fā)出生物熒光。

圖 | 熒光素酶（Gluc）與熒光素（CTZ）結(jié)合發(fā)光，激活光感蛋白（ChR）（來源：Shan Ping Yu）

由于這種發(fā)光蛋白可以通過基因編碼，并與光感蛋白一起以細胞特有的方式表達，于是，在這項最新研究中，研究人員將編碼發(fā)光蛋白的基因?qū)胝T導多能干細胞中，然后培養(yǎng)成神經(jīng)祖細胞，并植入中風一周的小鼠大腦中。

然后，在接下來的兩周內(nèi)，研究人員每天兩次通過鼻內(nèi)給藥的形式，向小鼠大腦提供熒光素 CTZ。于山平指出，經(jīng)鼻給藥繞過了血腦屏障，這種非侵入性的重復(fù)給藥方式在臨床上是可行的。

當 CTZ 遇到發(fā)光蛋白時，會發(fā)出所需的光線。實驗監(jiān)測顯示，在 CTZ 給藥后 1 小時左右，細胞移植區(qū)域出現(xiàn)生物熒光。

通過讓發(fā)光蛋白和光感蛋白同時表達在神經(jīng)元細胞表面，然后通過外界化學物質(zhì)的遞送，為大腦內(nèi)部光遺傳學操控提供所需的光源，這一策略在小鼠實驗中取得了一系列積極作用。

圖 | 移植的干細胞在刺激后成長為健康的神經(jīng)元（來源：Ping Yu et al., JNeurosci 2019）

實驗結(jié)果顯示，神經(jīng)祖細胞生長和分化的存活率大幅提高，產(chǎn)生更多完整的軸突和神經(jīng)連接，以及對電刺激更好的反應(yīng)。小鼠受影響的肢體也出現(xiàn)了更好的恢復(fù)，在幼鼠中，可以使中風影響肢體的功能恢復(fù)到正常水平，甚至在老年小鼠中，也能使中風癥狀部分恢復(fù)。

對于該技術(shù)的臨床前景時，于山平表示，由于光化遺傳學技術(shù)的無創(chuàng)特點，臨床應(yīng)用應(yīng)該有比較廣泛的前景。“我認為經(jīng)過必要的毒副作用安全實驗后，任何特殊的細胞群和腦區(qū)都可以在表達抑制型或興奮型的光化學復(fù)合蛋白后，經(jīng)外周給藥的方式進行可控的刺激。當然，具體療效還要看今后的臨床前研究和臨床實驗的結(jié)果?！?/p>

來源：MIT科技評論