用一束光，控制大脑

一只小鼠来到一只新笼子里，正在好奇地到处探索。它的头上接着一根光纤。突然，光纤上一道蓝光闪过，小鼠好像想起了什么可怕的事情，恐惧地缩成一团……这不是科幻电影中的场景，而是真实地发生在美国麻省理工学院的一个生物实验室中。研究人员的工作，就是试图用光控制小鼠的大脑，操纵它的记忆。

为什么要给大脑“开灯”

如果你打算做一项小研究，比如看看光照对植物的作用，那么可以种两株种类相同的植物，一株每天有光照，另一株永远生长在黑暗环境里，然后观察它们的生长情况有什么差别。真正的科学家所做的工作也类似，他们想研究一段基因、一种环境因素或是一类细胞（比如叫作神经元的细胞），就会试着在其他条件不变的情况下，精确地改变待研究的因素，并观察结果。

不过，想要用这种策略研究大脑十分困难。原因是，大脑太复杂了！人脑有数千亿个神经元，而每个神经元又可以和成千上万的同伴相连，并通过电流传递信息，就像一根根电线交织而成的超级电网。我们的记忆、认知、感情、学习能力、语言能力和意识，都深深地埋藏在这几千亿个神经元和相互之间的连接里。

神经生物学家常常用电极或药物来控制神经元，观察它们的活动。但想要精确地刺激一小块脑组织，或者把执行某个功能的同类神经元“一网打尽”，用以前的方法都很难完美地实现。

在这种情况下，神经生物学家想到了一种工具——光。

给大脑装上“眼睛”

眼睛为什么能看到光？这是因为视网膜上有一群可以感知光的蛋白质。当光线射入眼睛以后，光子可以“敲开”这些蛋白质，随后产生的一系列复杂的变化让细胞可以放电，并把电信号一直传递到大脑。换句话说，这些感光蛋白可以把光能转化成电能，原理类似于太阳能电池板以及数码照相机中的感光板。如果把感光蛋白装进脑中的神经元，不就相当于给神经元装上了眼睛吗？

除了视网膜中有感光蛋白，生物学家在细菌、水藻等微生物中也找到了多种感光蛋白。他们还把一种病毒改造为“运输大队”，让改造过的病毒把那些感光蛋白的基因带进神经元，从而给神经元装上了“眼睛”。科学家管这种技术叫作光遗传学。

控制神经元的开关

更棒的是，神经生物学家还能把感光蛋白“绑定”到一小部分特定的神经元身上。比如，给小鼠脑中负责存储恐惧记忆的神经元装上感光蛋白。当一阵光闪过，这些“恐惧神经元”被激活，小鼠如同遭受电击，凭空产生了恐惧的感觉，吓得一动不动——这就是文章开头那只小鼠的故事。

除了可以“打开”神经元的感光蛋白，美国斯坦福大学的科学家还找到了一种感光蛋白，可以反过来抑制神经元活动。装配了这些蛋白的神经元遇到光信号后，原本正积极放电，会立刻偃旗息鼓，安静下来。这两种蛋白就好像是开关，可以让科学家方便地打开或关闭想要研究的神经元。

照亮未来的光遗传技术

光遗传学出现还不到十年，科学家已经能在很多动物身上应用这种技术了。只需要一束精确控制的激光，他们就能控制线虫游泳、排卵，或是产生被抚摸的感觉，就能让本想接近雌性果蝇的雄性果蝇落荒而逃，甚至还能让染上毒瘾的小鼠厌恶毒品，能制造和删除小鼠的记忆。借助这种方法，科学家打开了一盏新的灯，让它照亮黑暗森林中神秘的神经元网络，发现了很多新的神经功能原理。

除此之外，光遗传学也有可能在未来治疗脑部疾病。例如，癫痫患者发作的时候，大脑中一些神经元会过分活跃。脑电图记录显示，病人在癫痫发作前，神经元正稳定而有节奏地活动，就像不同乐部在合奏一曲交响乐；当癫痫发作，就像所有的音乐家突然不顾乐谱，开始用最大的音量胡乱演奏。这时，如果有光遗传学的“开关”抑制这些失控的神经元，就能缓解癫痫的症状。2013年，美国加州大学的科学家就尝试着在实验动物身上用光遗传学治疗癫痫。在给小鼠大脑转入对光敏感的一个基因后，只要用光一照，这些小鼠的癫痫发作会立刻停止。

利用光控开关还可以修改记忆，这也可能帮助治疗某些和记忆有关的疾病。创伤后压力综合征的患者往往经历过极其可怕的事件（比如战争和自然灾难），并在很长时间里难以自拔，出现了很多精神症状。如果用光遗传技术减轻他们对灾难的记忆，就有可能缓解压力症状。还有一些科学家正在想办法把光遗传学用于帕金森病和阿尔茨海默症等脑病。

为了让光遗传学更好地发挥作用，科学家还在继续改进感光蛋白的敏感度。他们用化学方法修改现有的感光蛋白，这样只要有很微弱的光，就可以产生很显著的反应。当然，如果想用这种技术治疗人类疾病，科学家还需要让相关的技术变得更可靠。毕竟，在没有足够保障时去改变人的大脑，可不是一个让大家放心的主意。