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倏忽之間， 2017年過去了。
流年易逝， 除了感懷， 我們還應該回頭看看， 看看這一年發生在我們這個圈子的一些故事。 本文將盡力回顧今年應用光遺傳技術進行的科研進展， 以饕讀者。
背景：
光遺傳技術（Optogenetics）是一類將光學刺激和遺傳學技術結合起來的新興技術， 其原理在於將一些對光起回應的離子通道（光敏感通道）， 應用遺傳學手段轉入被研究的細胞內， 而後使用光學刺激來操控細胞， 對細胞的功能進行研究。
自Karl Deisseroth發明光遺傳技術以來， 這項技術已經成熟應用到神經生物學領域的大量研究中， 現在該技術也逐漸擴展到其他研究中， 例如代謝、心臟病等， 其正以迅雷之勢更新我們的認知。
本文將列舉本年度光遺傳技術的發展和一些有趣的“非常規”研究進展， 鑒於光遺傳技術已經應用非常廣泛， 本文重點介紹新鮮研究思路， 如有描述不當之處， 敬請諒解。
【技術革新篇】
光遺傳學操控局部突觸
2017年2月8日的Neuron雜誌刊登了美國科羅拉多大學的Matthew J. Kennedy教授的工作[1]， 他們成功應用光遺傳技術操控了局部突觸的活動， 達到了更精細地研究突觸傳遞， 對於該領域的研究有極大地推進作用。
文中作者應用CRY2/CIB1系統，
文中， 作者還借助該系統研究了沉默型突觸（Silent synapse）的特性。
未來， 借助這個系統， 我們能夠通過與特定蛋白結合， 特異性操作某些蛋白（如PSD或突觸前的蛋白）， 研究突觸傳遞的功能。
無線光遺傳技術
傳統光遺傳技術在行為實驗中經常受到光纖線路的影響， 2017年2月8日， Neuron發表了Gunchul Shin等人的最新文章[2]， 他們研發了一種柔性、近場、無線光遺傳工具， 推進了光遺傳技術的發展。
傳統有線光刺激元件限制了動物的自由， 導致很多行為實驗（如水迷宮、轉棒等）難以實施， 而一些改進的無線工具雖能夠做到無線操控， 但其規格、重量和無線操作範圍均不能達到實驗要求。
在最新的工作中， Gunchul Shin等人開發出一種可埋藏于皮下的電磁線圈天線， 其末端連接一個微型的可植入腦區的LED燈（能夠給出從UV到藍色、綠黃色和紅色光的刺激），
原文使用該系統進行了水迷宮等多種複雜的行為測試， 為我們描述了該技術的應用前景， 為廣大神經科學研究者的“武器庫”增添了一把新的利器。
【新鮮應用篇】
光遺傳在體誘導LTP
在今年7月14日的Science雜誌中，浙江大學醫學院胡海嵐教授報導了他們的最新力作，從神經環路機制的層面為我們解讀了“勝利者效應”的原理[3]。這項工作當然非常優秀，但其中對光遺傳學技術的一項應用更值得一提。
在傳統的研究中，我們如果想要在體誘導突觸傳遞的可塑性變化（LTP或LTD），往往需要借助電刺激的手段，然而傳統的電刺激難以區分同一區域、不同類型的細胞，所以往往我們誘導的是一群可能功能相反的細胞同時產生長時程突觸傳遞的變化，對我們的研究產生很大障礙。
光遺傳技術的出現，為特異性操控一類細胞帶來曙光。在胡海嵐教授的文章中，他們在一類特定神經元中表達oCHIEF光敏感通道（改進型的ChR2光敏感通道，能回應高頻刺激），通過光在MDT神經元參與的MD-dmPFC通路中誘導突觸傳遞長時程抑制（LTD）或突觸傳遞長時程增強（LTP），他們發現該通路的傳遞對於動物社會等級的維持非常重要。
突觸可塑性被認為是學習和記憶的基礎，過去，我們缺乏特異性操控一條通路的工具，借助oCHIEF通道，我們現在可以更好地特異性控制某條通路發生突觸傳遞可塑性變化，為我們的研究帶來新工具。
活動依賴性標記
理解特定神經元集群（Neuronal ensemble）的活動，及其如何參與行為的原理，對於我們解析腦的正常功能、腦疾病的相關機制非常關鍵。但是，腦中神經元的電活動暫態且複雜。因此，選擇性標記活動或功能相關的神經元、神經環路，一直是廣大研究人員迫切需要、又難以開展的重要工作。
今年8月份，Nature Biotechnology同期刊登了兩篇重要的、獨立發表的相關工作，介紹一種在活動神經元中、由光和鈣離子控制的基因表達技術[4,5]。
第一篇文章是來自德國馬普所Hyung-Bae Kwon組的Cal-Light體系。體系包括兩個合成的蛋白，一個包含五個不同蛋白結構域，分別是跨膜區域（TM）、結合鈣離子的CaM、TEVp（煙草蝕刻病毒蛋白酶）的N端、融合了TEVp切割序列（TEVseq）的AsLOV2肽段（能夠對藍光敏感而啟動TEVp切割蛋白）以及tTA；另一個蛋白包括TEVp的C端和M13。
當細胞活動時，胞內鈣離子含量提高，這導致M13結構結合 CaM，二者的結合會使TEV-C和TEV-N在位置上靠近，雖然此時TEVp能夠合併，但是TEVseq序列仍無法切割TEVp，因為其序列被AsLOV2保護，而藍光能夠暴露TEVseq，從而切割TEV，釋放tTA。釋放的tTA進入細胞核，啟動TetO啟動子的表達。從而達到了光和鈣離子共同控制基因表達的目的。
第二篇文章是來自斯坦福大學Alice Y Ting等人的“FLARE”系統。這套系統與前面的Cal-Light體系有很多類似的地方，不同的是，他們利用了轉錄因數（Transcription factor, TF）進行基因表達的操控。
行為與神經元活動的關係千絲萬縷，因此，特異性標記或使用工具操作活動相關的神經元，對於我們理解腦的變化非常關鍵。前面介紹的兩篇工作構建了對活動細胞操作的兩套系統，都基於鈣離子活動和光遺傳學，未來有望將在學習和記憶、疼痛、疾病等一切需要解碼功能環路的研究中大放異彩！
【腦洞篇】
移動診療糖尿病
這是一個開腦洞般設計巧妙的研究，而且並不發生神經生物學領域，而是代謝研究。
糖尿病是一種常見的代謝性疾病，全球約5億成人患有這種影響生活品質的慢病。在糖尿病患者中，很大一部分人的胰臟無法生產足夠的胰島素，或者是細胞對胰島素不敏感，特別是很多病人的病程後期需要人工注射胰島素，這給病人帶來巨大痛苦。人們一直希望找到一種低創傷的補充胰島素的辦法。
2017年4月，國際著名學術期刊Science Translational Medicine以封面文章發表了華東師範大學葉海峰團隊的最新研究成果[6]，他們在全球首次通過智慧手機和光遺傳學技術的結合，在實驗動物中實現了超遠端調控和治療糖尿病，開啟個性化移動診療新時代。
在葉教授的這套體系中，小鼠血糖值由血糖儀讀取獲得後，通過藍牙發送到定制的智慧控制器和智慧手機中。當血糖值高於預先設定的安全血糖閾值時，智慧控制器可以點亮移植在小鼠體內、含有光遺傳工程細胞的水凝膠LED複合體，從而啟動細胞產生胰島素達到降血糖並維持血糖穩定的作用。
光遺傳+移動APP=移動診療糖尿病
正如Science Translational Medicine同期配發的評論文章所述[7]，葉海峰團隊令人驚歎的研究，用創新的思維，結合光遺傳工具、生物醫學工程技術等手段，創造了一個前景廣闊的治療糖尿病工具，為智慧、移動診療提供了突出的研究範例。
為廣大神經科學研究者的“武器庫”增添了一把新的利器。【新鮮應用篇】
光遺傳在體誘導LTP
在今年7月14日的Science雜誌中，浙江大學醫學院胡海嵐教授報導了他們的最新力作，從神經環路機制的層面為我們解讀了“勝利者效應”的原理[3]。這項工作當然非常優秀，但其中對光遺傳學技術的一項應用更值得一提。
在傳統的研究中，我們如果想要在體誘導突觸傳遞的可塑性變化（LTP或LTD），往往需要借助電刺激的手段，然而傳統的電刺激難以區分同一區域、不同類型的細胞，所以往往我們誘導的是一群可能功能相反的細胞同時產生長時程突觸傳遞的變化，對我們的研究產生很大障礙。
光遺傳技術的出現，為特異性操控一類細胞帶來曙光。在胡海嵐教授的文章中，他們在一類特定神經元中表達oCHIEF光敏感通道（改進型的ChR2光敏感通道，能回應高頻刺激），通過光在MDT神經元參與的MD-dmPFC通路中誘導突觸傳遞長時程抑制（LTD）或突觸傳遞長時程增強（LTP），他們發現該通路的傳遞對於動物社會等級的維持非常重要。
突觸可塑性被認為是學習和記憶的基礎，過去，我們缺乏特異性操控一條通路的工具，借助oCHIEF通道，我們現在可以更好地特異性控制某條通路發生突觸傳遞可塑性變化，為我們的研究帶來新工具。
活動依賴性標記
理解特定神經元集群（Neuronal ensemble）的活動，及其如何參與行為的原理，對於我們解析腦的正常功能、腦疾病的相關機制非常關鍵。但是，腦中神經元的電活動暫態且複雜。因此，選擇性標記活動或功能相關的神經元、神經環路，一直是廣大研究人員迫切需要、又難以開展的重要工作。
今年8月份，Nature Biotechnology同期刊登了兩篇重要的、獨立發表的相關工作，介紹一種在活動神經元中、由光和鈣離子控制的基因表達技術[4,5]。
第一篇文章是來自德國馬普所Hyung-Bae Kwon組的Cal-Light體系。體系包括兩個合成的蛋白，一個包含五個不同蛋白結構域，分別是跨膜區域（TM）、結合鈣離子的CaM、TEVp（煙草蝕刻病毒蛋白酶）的N端、融合了TEVp切割序列（TEVseq）的AsLOV2肽段（能夠對藍光敏感而啟動TEVp切割蛋白）以及tTA；另一個蛋白包括TEVp的C端和M13。
當細胞活動時，胞內鈣離子含量提高，這導致M13結構結合 CaM，二者的結合會使TEV-C和TEV-N在位置上靠近，雖然此時TEVp能夠合併，但是TEVseq序列仍無法切割TEVp，因為其序列被AsLOV2保護，而藍光能夠暴露TEVseq，從而切割TEV，釋放tTA。釋放的tTA進入細胞核，啟動TetO啟動子的表達。從而達到了光和鈣離子共同控制基因表達的目的。
第二篇文章是來自斯坦福大學Alice Y Ting等人的“FLARE”系統。這套系統與前面的Cal-Light體系有很多類似的地方，不同的是，他們利用了轉錄因數（Transcription factor, TF）進行基因表達的操控。
行為與神經元活動的關係千絲萬縷，因此，特異性標記或使用工具操作活動相關的神經元，對於我們理解腦的變化非常關鍵。前面介紹的兩篇工作構建了對活動細胞操作的兩套系統，都基於鈣離子活動和光遺傳學，未來有望將在學習和記憶、疼痛、疾病等一切需要解碼功能環路的研究中大放異彩！
【腦洞篇】
移動診療糖尿病
這是一個開腦洞般設計巧妙的研究，而且並不發生神經生物學領域，而是代謝研究。
糖尿病是一種常見的代謝性疾病，全球約5億成人患有這種影響生活品質的慢病。在糖尿病患者中，很大一部分人的胰臟無法生產足夠的胰島素，或者是細胞對胰島素不敏感，特別是很多病人的病程後期需要人工注射胰島素，這給病人帶來巨大痛苦。人們一直希望找到一種低創傷的補充胰島素的辦法。
2017年4月，國際著名學術期刊Science Translational Medicine以封面文章發表了華東師範大學葉海峰團隊的最新研究成果[6]，他們在全球首次通過智慧手機和光遺傳學技術的結合，在實驗動物中實現了超遠端調控和治療糖尿病，開啟個性化移動診療新時代。
在葉教授的這套體系中，小鼠血糖值由血糖儀讀取獲得後，通過藍牙發送到定制的智慧控制器和智慧手機中。當血糖值高於預先設定的安全血糖閾值時，智慧控制器可以點亮移植在小鼠體內、含有光遺傳工程細胞的水凝膠LED複合體，從而啟動細胞產生胰島素達到降血糖並維持血糖穩定的作用。
光遺傳+移動APP=移動診療糖尿病
正如Science Translational Medicine同期配發的評論文章所述[7]，葉海峰團隊令人驚歎的研究，用創新的思維，結合光遺傳工具、生物醫學工程技術等手段，創造了一個前景廣闊的治療糖尿病工具，為智慧、移動診療提供了突出的研究範例。