如何使用

这一页是一个小实验台。画面里是约 1 mm 宽的一片皮层，从侧面看：32 个锥体细胞（三角）和 8 个 PV 中间神经元（圆），彼此有突触连接。锥体细胞是兴奋性的，PV 细胞是抑制性的、放电很快。

第一步，设计实验。 选一种视蛋白，再选把它装进哪类细胞。真实实验里，这一步靠的是转基因小鼠加病毒：在 PV-Cre 小鼠脑内注射 Cre 依赖的病毒，视蛋白就只会出现在 PV 细胞里。表达视蛋白的细胞有一圈粗边（ChR2 实线，NpHR 虚线）。

第二步，打光。 按「开始刺激」。光纤从上方插进组织，光主要向下照，越远越弱。可以拖动光纤，或在空白处点一下把它移过去；键盘用户先把焦点放到脑片上，再用方向键移动。点任意一个细胞，下面会显示它的膜电位。

第三步，看结果。 放电栅格显示最近一秒每个细胞的放电。旁边的 PSTH 把每个脉冲之后的 40 ms 叠在一起：早而尖的峰是直接响应，晚而宽的峰是经突触传过去的间接响应，低于虚线（光照前的水平）是抑制。 表格把同样的判断写成文字和数字。

第四步，做对照。 勾选「阻断突触」，相当于往浴液里加 NBQX 和荷包牡丹碱，切断兴奋性和抑制性突触。药物本身就会改变自发放电，所以页面会先停一秒刺激，在新条件下重新测量光照前的放电率，然后自动恢复。

值得一试的几组：

  1. ChR2 → 锥体细胞，蓝光 10 Hz（默认设置）。锥体细胞在约 5 ms 处出峰，PV 细胞晚几毫秒也出峰，可是 PV 细胞并没有 ChR2。勾选「阻断突触」，PV 细胞的峰消失，锥体细胞的峰还在。
  2. ChR2 → PV 细胞。 PV 细胞被光驱动，锥体细胞的 PSTH 掉到虚线以下：激活抑制性细胞，就能让一片兴奋性细胞安静下来。
  3. NpHR → PV 细胞，黄光连续照射。 PV 细胞沉默，锥体细胞反而放得更多。这叫去抑制。
  4. NpHR → 锥体细胞。 锥体细胞沉默，PV 细胞也跟着变少，因为它们失去了来自锥体细胞的兴奋性输入。
  5. 配错颜色。 ChR2 配黄光几乎没有反应；NpHR 配蓝光只有部分效果。
  6. 电极（对照）。 电极不看基因，附近两种细胞都被直接激活，潜伏期比光更短。
  7. 把频率拉到 40 Hz、80 Hz，看跟随率下降；把光纤拖到角落，看只有光锥里的细胞跟得上。

勾选「监听示踪细胞」后，那个细胞的每次放电都会变成一声「咔」，就像电生理实验室里接在放大器上的音箱。锁相时你会听到整齐的节拍，自发放电时则是零散的声响。声音默认关闭。

暂停后，「前进一步」推进 50 ms 物理时间；慢动作只放慢播放，读数始终是物理时间。系统若设置了减少动效，页面会默认暂停。快捷键：空格暂停，L 开关刺激，焦点在脑片上时用 [ 和 ] 切换示踪细胞。

画面里的光晕不随脉冲闪烁：屏幕上每秒闪 5 到 80 次的大块亮光可能诱发光敏性癫痫。脉冲只用光纤尖端的小圆点、栅格图顶上的色条和膜电位图上方的刻度表示。

它展示了什么

神经科学长期有一个工具上的难题：电极能让神经元放电，却分不清刺激的是哪一种细胞。不同类型的神经元挤在一起，一根电极周围既有兴奋性细胞、抑制性细胞，也有路过的轴突。1979 年，弗朗西斯·克里克写道，这个领域需要一种方法，能只开关某一类细胞而不碰其他细胞。后来他还猜过，光也许能做到。

答案来自藻类和古菌。衣藻用通道视紫红质感光，这种蛋白本身就是离子通道，蓝光一照就打开，让阳离子流进细胞。2003 年 Nagel 等人确认了 ChR2 的这个性质；2005 年 Boyden、Zhang、Deisseroth 等人把它装进培养的海马神经元，用毫秒级的蓝光脉冲让神经元按指令放电。两年后，来自嗜盐古菌的氯离子泵 NpHR 加入进来，黄光一照就把氯离子泵进细胞，让细胞安静下来。

特异性来自基因，而不是来自光。 光照到了所有细胞，但只有带着视蛋白基因的细胞会直接反应。这一页的第一步就是这个选择。电极对照则是没有这层筛选时的样子。

但「只控制一类细胞」不等于「只影响一类细胞」。 神经元连成环路。激活锥体细胞，会经由突触带动 PV 细胞；压住 PV 细胞，锥体细胞会失去刹车。所以一篇光遗传学论文里，研究者常要回答这样的问题：这个效应是光直接造成的，还是经过了别的细胞？常用的两条证据，这一页都能看到。一是潜伏期：直接响应在光照后几毫秒内出现，而且很稳定；每多经过一个突触，就再晚一到两毫秒，时间也更分散。二是药物：阻断突触以后还在的效应才是直接的。

时间精度来自蛋白的动力学。 ChR2 关上大约需要 10 ms，所以几十赫兹以内，它能让神经元一个脉冲放一次电；再快，上一次的电流还没退，脉冲就开始落空。后来工程化的 ChETA、Chronos 等变体关得更快，就是为了把这个上限推高。

光遗传学因此成了检验因果的工具。记录只能告诉你「某类细胞放电的时候，动物在做某件事」；光遗传学可以反过来问「让这类细胞放电，动物会不会做那件事？让它们沉默，那件事会不会消失？」。2009 年，Tsai 等人用这种办法证明，多巴胺神经元的阵发放电本身就足以让小鼠形成位置偏好；同年，Cardin 等人和 Sohal 等人发现，用光驱动 PV 细胞能在皮层里诱发 γ 振荡。这一页的第二组实验，就是那类实验的极简版本。

这个模型的边界

神经元是带适应的积分放电模型，不是 Hodgkin–Huxley。 两类细胞只在膜时间常数、不应期、适应和背景输入上不同；没有树突，没有钠通道失活，也就没有去极化阻滞。放电是阈值事件，波形是画上去的。

突触是电流型的指数突触，延迟固定为 1.5 ms。 连接概率和权重是为了让环路效应看得见而选的，不是从某个脑区测来的。真实的抑制有分流作用，真实的突触会易化或抑制；这里都没有。四十个细胞也远小于真实环路，没有振荡。

药物是一个开关。 真实的 NBQX 和荷包牡丹碱需要几分钟才能起效，也很少能阻断得干干净净；这里一秒就切换，阻断是完全的。

视蛋白的动力学是简化的。 ChR2 用三态模型（关、开、脱敏），参数取 τ_off ≈ 10 ms、脱敏约 300 ms、恢复约 1 s 的量级；真实 ChR2 有两个开放态，不同变体的数值也不同。NpHR 的强度取的是 eNpHR3.0 这类改良版本的量级，只有一个激活分数，没有模拟数秒照射后的失活，也没有停光后的反跳放电。

光谱交叉是近似的。 ChR2 在 590 nm 处的响应设为 0（真实值只有百分之几）；NpHR 在 470 nm 处保留峰值的三成左右，这一点是真实的，也是同时使用两种视蛋白时要小心的地方。

光的传播是示意。 光强按每 0.25 mm 衰减到约 37% 的指数曲线下降（1 mm 处剩约 2%，与灰质中蓝光的量级相近），方向上用 cos² 近似一个被散射展宽的光锥。真实组织里的衰减还与波长、光纤数值孔径和组织类型有关。

同一颗种子，换设计就是「换一只病毒」。 为了让不同设计可以直接对比，切换设计时细胞的位置、连接和噪声都不变，只改变谁表达视蛋白。真实实验里每只动物都不一样。

没有发热和光毒性。 长时间高功率照射会让组织升温，本身就能改变放电；高表达量也可能伤害细胞。这些都是真实实验要做对照的东西，这里没有模拟。

数字不是实验数据。 放电率、潜伏期和跟随率只在这个模型里成立，量级与文献相近，不要拿来与具体实验逐项比较。

延伸阅读

  • Crick, F. H. C. (1979). Thinking about the brain. Scientific American 241(3), 219–232
  • Nagel, G. et al. (2003). Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. PNAS 100(24), 13940–13945
  • Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G. & Deisseroth, K. (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience 8, 1263–1268
  • Zhang, F. et al. (2007). Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Nature 446, 633–639
  • Tsai, H.-C. et al. (2009). Phasic firing in dopaminergic neurons is sufficient for behavioral conditioning. Science 324, 1080–1084
  • Cardin, J. A. et al. (2009). Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature 459, 663–667
  • Sohal, V. S., Zhang, F., Yizhar, O. & Deisseroth, K. (2009). Parvalbumin neurons and gamma rhythms enhance cortical circuit performance. Nature 459, 698–702
  • Gunaydin, L. A. et al. (2010). Ultrafast optogenetic control. Nature Neuroscience 13, 387–392
  • Gradinaru, V. et al. (2010). Molecular and cellular approaches for diversifying and extending optogenetics. Cell 141, 154–165
  • Deisseroth, K. (2015). Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nature Neuroscience 18, 1213–1225
  • 站内：大脑结构与功能 — 这一页的细胞来自哪里