光遗传学：“用光控制大脑”

在过去几年里光遗传学已经彻底颠覆了神经科学领域，为神经科学提供了一种崭新的研究方法。研究人员可以通过光遗传学确定脑细胞特定区域内的神经系统活动模式，以前所未有的精度研究它们的活动如何产生的思想、行为和记忆，并且光遗传学可以帮助寻找和治疗神经或精神障碍，比如抑郁，成瘾症，精神分裂症或者帕金森症等。

哺乳动物的大脑是一个极其复杂的系统，其中有数百亿神经元交织在一起，包含有各种各样的连接方式，神经元之间以毫秒级互相传递电和各种生化信号，进行复杂计算。
神经学家在几十年前已经确定为了更好地了解大脑是如何工作的，需要找到一种科研方法只控制大脑中某一种类型的细胞，而不影响其余的细胞。用电刺激无法满足这个挑战，因为电极太粗糙：它们不能区分细胞的种类，而且它们的信号不能以任何精度抑制神经元。
而光遗传学很好的解决了这些问题。该方法建立在活体动物的脑细胞或者神经元细胞可以被光响应蛋白（又称视蛋白）修饰的基础上。科学家可以以非常高的时空精度选择性地打开或关闭修饰之后的光敏神经元，从而对神经元网络的结构和功能进行研究。
有许多不同类型的视蛋白，具有不同的反应模式，可以分为两种：用于打开离子通道和细胞活性的视蛋白；和用于关闭细胞活性的视蛋白。一般而言激活细胞活性的视蛋白对于波长为470nm的光敏感；而关闭细胞活性的视蛋白对于波长从550nm到近红外的光敏感。最常用的关闭视蛋白敏感光峰值在590nm处。
试验中神经科学家用载有视蛋白的病毒感染试验动物的大脑。科学家会把光纤连接器插入实验动物的大脑中来实现大脑对于光的敏感性。光纤传输的是激光，在试验中动物是可以自由移动的。
试验中真正的挑战是把大脑暴露到光强适合，同时又不会把大脑暴露的过多。这使得对于光遗传学光源的选择必须十分精细。首先激光的波长必须合适，而且功率也必须足够强，而且在一个很宽的范围内可调。由于实验的长度，功率稳定性也是一个很重要的因素。另外一个必备的因素是可以调谐的能力，因为试验中激光的频率会从0改变到200 Hz，而且即使频率很低，激光稳定时间也必须在毫秒量级。在调制过程中的脉冲稳定性也非常重要。
光遗传学是一个真正的交叉学科研究领域，同时涉及遗传学、心理学、神经学以及激光物理学和光纤。光遗传学的这种交叉科学性对于其中的研究者是一个重要的挑战。尤其是对于很多光遗传学研究人员而言确定一套针对其特定的实验工作的光源和光纤组件是一个艰巨的任务。为了克服这一挑战，Cobolt与一些世界上最杰出的研究小组密切合作，推出了为高端光遗传学实验量身定制的激光集成方案。让即使是对于激光器和光纤没有太多经验的科研工作者也能轻松选择。Cobolt为光遗传学研发的激光器包括高速、稳定、高纵横比和调谐能力的473，532，561，594或640 nm激光器。这些激光器都是光纤耦合的，具体输出方式包括单光纤激光器或者把两种激光器共同耦合到一根光纤里面。
Cobolt的光遗传学解决方案：具有高速、稳定、高纵横比和调谐能力的功率为100 mW 的473 nm与594 nm、532 nm与660 nm激光器，提供一根单独的光纤输出或者把两种激光器共同耦合到一根光纤里面输出。


（翻译：北京鼎信优威光子科技有限公司     汪 阳博士）