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重點提要
■神經科學家研究腦細胞功能的傳統方法，是刺激細胞然後以電極紀錄它們的活性，但這種間接的方法很難用來分析特定神經元。
■遺傳工程和光學結合而成的光學遺傳學，可以觀察並控制一群神經元，讓研究人員能夠詳查個別的神經線路，革新腦功能的研究。
1937年，英國牛津大學偉大的神經科學家薛林頓（Sir Charles Scott Sherrington）對腦的運作提出了一段經典的描述。他想像腦內有些光點象徵著神經細胞的活性和細胞間的聯繫，人在熟睡時，整個腦部只有幾處零星散落的光點閃爍，看起來宛如星空；但清醒時，那畫面如同「銀河跳起了某種宇宙之舞，腦部立刻變成魔法織布機，百萬條閃亮的光束來回穿梭，編織著若隱若現的圖案，這些圖案有意義卻無法持久，是一些不斷和諧地轉變著的小圖案。」
薛林頓可能不知道，他詩意的比喻隱藏了一個重要的科學觀念：我們可以透過光來揭露腦部的運作。神經元之間如何互相合作進而產生思想和行為，一直是生物學最大的難題，主要就是因為科學家無法看到完整的神經線路運作。神經學的標準研究方法是利用電極去探測一、兩個神經元的活動，這只能揭露巨大拼圖的一角，我們還缺少太多拼圖片去拼湊出完整的面貌，如果我們能看見神經元間的溝通與聯繫，或許就能夠推想腦部線路的排列和功能。這個誘人的想法鼓舞著神經科學家去嘗試落實薛林頓的先見。
他們的努力創造了一門新興領域：光學遺傳學（optogenetics），結合遺傳工程學和光學來研究特定細胞類型。研究人員已經成功揭示各種神經元群的功能，甚至只要打開光源，就可以遙控神經元，這些進展讓人對光學遺傳學寄予厚望，或許有朝一日，它能協助神經科學家看清楚腦部的線路，甚至幫助醫生治療特定疾病。
感應神經元電壓的染料
1970年代起，科學家開始認真希望實現薛林頓的想像。神經系統和電腦一樣，都是透過電來運作；神經元以電訊號，或稱動作電位（action potential）來傳遞資訊，這些電脈衝（電壓低於AA電池的1/10）會誘導神經細胞釋放神經傳遞物，能夠活化或抑制線路中相連的細胞。為了看見這些電訊號，美國耶魯大學的柯恩（Lawrence B. Cohen）測試了各式各樣的螢光染料，看它們是否會隨著電壓的增減而變換顏色或亮度，結果他發現有些染料確實具有感測電壓的光學特性，將這些染料染神經元後，就可在顯微鏡下觀察細胞的活動。
此外，有些染料能感測特定離子的流動，同樣也可顯示神經細胞的活動。當神經元產生動作電位時，細胞膜上的通道會打開，讓鈣離子流入細胞，湧入的鈣離子會刺激神經傳遞物的釋放。現任教於美國加州大學聖地牙哥分校的錢永健，在1980年開始合成可隨鈣離子濃度變化而增減亮度的螢光染料，這些光學標記果然不同凡響，為科學開啟了一扇新的窗子，讓我們能窺見單一神經元和小型神經網絡的資訊處理。
然而合成的染料有嚴重的缺點。舉例來說，神經組織是由許多不同類型的細胞構成，小鼠的腦估計約含有數百種神經元和種類繁多的支持細胞，由於神經資訊處理倚靠的是不同種類神經元間的交互作用，想了解某一神經線路的運作，必須找出並監測線路中的各個成員，同時還要能掌握它們啟動（產生動作電位）和關閉的時機合成染料會毫無選擇地將所有細胞染色，因此無法用這些光信號來追蹤特定類型的細胞。
蛋白質螢光染料登場
光學遺傳學的誕生，是因為科學家了解到操控基因可能是解決染料一視同仁染上所有細胞的關鍵。一個個體的所有細胞都有相同的基因，兩個細胞之所以不同，是因為它們啟動和關閉的基因不同，例如有些神經元活化時會釋放神經傳導物多巴胺（dopamine），因此這些細胞中製造和包裝多巴胺所需酵素的基因會啟動；在不會製造多巴胺的細胞內，這些基因則關閉。
理論上，如果能將染料的基因與多巴胺基因的開關連接在一起，再將這開關–染料基因轉殖到動物體內，動物就只會在多巴胺生成細胞內合成染料。如果研究人員能窺看這些動物的腦部（事實上是可行的），就能在各式各樣的單獨細胞中看見多巴胺生成細胞的功能，還能觀察它們在完整、有生命的腦中如何活動。合成染料沒有這種神奇的表現，它們的製造不會受控於只在特定細胞中開啟的基因開關，唯有當染料是由基因製造的蛋白質時，才有辦法耍這種戲法。
大約10年前，當時錢永健和加州大學柏克萊分校的伊薩克夫（Ehud Y. Isacoff）團隊，以及耶魯大學的羅斯曼（James E. Rothman）和我的團隊，分別驗證了基因製造的染料蛋白可指出神經的活動。兩個團隊都借用了發光性海洋生物的螢光蛋白做為染料（通常使用水母的綠色螢光蛋白）。我們稍微調整螢光蛋白質的基因，讓螢光蛋白能偵測和顯示細胞在傳遞訊息時，電壓或鈣離子濃度變化，以及神經傳遞物的釋放。
有了這些由基因製造的活動感測分子，我們和其他團隊開始培育只在特定神經元內啟動感測基因的動物。許多遺傳學家常用的模式動物，像是線蟲、斑馬魚和小鼠，都曾以這種方法分析研究過，不過最合適在光學和遺傳學雙管齊下時揭露秘密的，還是果蠅。果蠅的腦小而俱全，可用顯微鏡觀察，同一個視野下即可看到完整線路。此外，果蠅基因也很容易操控，再加上一個世紀以來的研究，科學家找到了許多控制特定神經元表現的基因開關。事實上，當時在紐約市史隆凱特靈癌症中心的吳（Minna Ng）、路亞達（Robert D. Roorda）和我，就是利用果蠅，首次記錄到在完整腦部裡特定神經元群集間資訊傳遞的影像。之後，我們又發現了新的神經線路和運作機制。舉例來說，2007年，我們發現果蠅嗅覺神經線路的神經元，似乎會注入一些「背景噪音」到系統中，我們推測，這添加的噪音可放大微弱的輸入訊號，提高動物對氣味的靈敏度，而更容易找到食物。
感測分子是觀察神經元傳訊的有效工具，但在1990年代末，我們仍面臨了一個問題，大部份探索神經系統功能的實驗，採用的都是較為間接的方法，研究人員以影像、音調或氣味刺激動物，將電極插入下游腦區，測量該區域收到的電訊號，企圖找出訊號傳遞路徑，然而輸入的感覺訊號在傳遞過程中經歷了大幅的修改重整，結果在離眼睛、耳朵或鼻子等感覺器官越遠的部位，所記錄到的訊號也越難判定是由哪些反應引起的。當然，腦部還有許多與感覺訊號處理無關的神經線路，像是動作、思想或情緒，這類方法就完全無用武之地，我們沒有辦法利用感覺刺激直接活化這些線路。
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