光遗传学领域的先驱彻底改变神经科学的偶然发现

　　在探索绿藻对光的反应时，彼得·赫格曼偶然发现了一种具有深远应用价值的光感受器。

　　

洪堡大学(Humboldt University)的生物物理学家彼得·赫格曼(Peter Hegemann)一直致力于研究蛋白质和光之间的相互作用。具体地说，他研究光感受器如何探测光并对光作出反应，主要集中在视紫红质上，视紫红质是动物、植物、真菌、原生生物和原核生物中的一类膜光感受器在他职业生涯的早期，他的好奇心使他在绿藻中发现了一种未知的视紫红质，后来被证明在神经科学研究中有有用的应用。Hegemann成为光遗传学领域的先驱，这一领域彻底改变了科学家们在神经元活动和行为之间建立因果关系的方式。

20世纪80年代初，在马克斯·普朗克生物化学研究所(Max Planck Institute of Biochemistry)攻读研究生期间，Hegemann花了很多时间研究细菌和古细菌中的视紫红质。然而，这个领域很拥挤，他渴望研究科学家们一无所知的视紫红质。大约在这个时候，雪城大学的生物物理学家Kenneth Foster正在研究绿藻衣藻(一种与植物有关的光合作用单细胞真核生物)是否利用其眼点细胞器中的视紫红质来探测光线并触发藻类游动。他很难找到这种蛋白质本身，所以他采取了迂回的方法，开始干扰附近与视紫红质相互作用的分子

视紫红质需要小分子视黄醛作为光感受器。当Foster耗尽衣藻自身的视黄醛时，藻类无法利用光来指导运动，当他引入视黄醛类似物时，这种行为就恢复了。1985年，Hegemann以博士后研究员的身份加入了Foster的团队，继续这项工作。“我想找到一些新的东西，”Hegemann说。“因此，我研究的是一种奇特的生物和一个奇特的话题。”一年后，Hegemann在马克斯·普朗克生物化学研究所成立了自己的研究小组，在那里他寻找Foster认为应该存在的绿藻的视紫红质。

对Foster来说，干扰视黄醛相对容易，但识别视紫红质却颇具挑战性。基因克隆还不普遍，研究人员努力提纯和研究蛋白质。而在生活在海水中的古细菌中发现的细菌视紫红质易于大量收获，且在室温下稳定然而，Hegemann的绿藻视紫红质就不是这样了。这种蛋白质既不稳定，又低浓度产生，因此他的团队无法识别或纯化它。根据Foster对视黄醛的实验，Hegemann确信绿藻携带视紫红质，即使他无法掌握。他需要从另一个角度来解决这个问题。Hegemann说:“生化实验失败了，因为我们无法纯化蛋白质。”“但电生理学让我们活了下来。”

当视紫红质探测到光线时，它们会触发细胞膜上的离子通道打开，让离子涌入细胞内部，启动细胞过程。通过电生理学实验，他的团队研究了绿藻的视紫红质是如何在细胞的不同区域触发离子流动的。这需要一种缺乏细胞壁的绿藻突变体，使它们能够进入细胞膜的不同部分。当他们用吸液管暂时隔离细胞的不同区域，如眼点或鞭毛时，他们就可以测量出在闪光的反应下，离子在膜上的流动。从这些实验中，Hegemann和他的同事提出了一种绿藻向光或远离光游动的机制他们假设光线激活了视紫质，它触发了一个单独的离子通道打开闸门，允许钙离子进入细胞，启动藻类的鞭毛运动。

随着电生理技术的改进，他们有了新的见解。更精确的实验表明，他们提出的机制有些不对劲。他们发现，在闪光后，视紫红质只需要50微秒就能触发离子流过细胞，这比人眼眨眼的速度快2000倍这个时间对于任何使用视紫质的真核生物系统来说都是非常快的。按照这个速度，Hegemann关于多种蛋白质在起作用的假设是不太可能的，所以他修改了自己的想法。“我们假设这一定是一种蛋白质，”他说。

尽管他们成功地使用了电生理学方法，但Hegemann的团队无法研究假设的单一视紫红质是如何驱动整个过程的，直到他们确定了有问题的蛋白质。2002年，另一个研究小组制作了一个绿藻基因的cDNA文库，最终确定了不是一种而是两种视紫红质他们将这两种蛋白分别命名为通道视紫红素-1和通道视紫红素-2，并证明这两种蛋白在光的作用下能独立触发离子运动。

Hegemann花了16年的时间才确定了光感受器，在此期间，他一直在努力争取拨款和资金。“在很多情况下，他们会砍掉项目，”他哀叹道。“很难做研究。”但他坚持不懈，并向该领域的其他人强调，通道视紫红质可以有有用的研究应用。他说:“我的经验是，如果你在研究一件非常有趣的事情，你可以向审查委员会解释这是一个重要的问题，那么他们就会更有耐心。”

考虑到每个通道视紫红质都是光敏感光器和离子通道的合体，Hegemann看到了利用光操纵其活性的潜力。通道视紫红质-2比通道视紫红质-1更受青睐，因为它更丰富，在较暗的照明下引发更多的离子流当Hegemann将光感受器引入青蛙卵或人类胚胎肾细胞的膜上，并在细胞上照射时，正离子冲进细胞，使细胞内部带更多正电荷。考虑到细胞使用快速的电荷变化来触发细胞过程，通道视紫红质-2似乎是以这种方式操纵细胞的一个有吸引力的工具。

事实证明，这对控制神经元特别有用。神经科学家想用一种叫做光遗传学的技术用光来控制大脑活动他们尝试使用其他视紫红质来激发神经元中的离子流并触发大脑电信号，但由于电反应太慢，他们的实验失败了。“动作电位被迅速激发，因此速度很重要，”Hegemann说。神经科学家很快选择了Hegemann小组发现的超高速通道rhodpsin-2。这种视紫红质成为光遗传学研究中第一个广泛使用的光感受器，使神经科学家能够用光激发选定的神经元，并研究它们如何影响行为

“光遗传学确实改变了人们今天研究神经科学的方式，”巴黎视觉研究所的光子学研究员Valentina Emiliani说，她与Hegemann合作。以前，研究人员不得不依靠观察性研究来发现大脑信号和行为之间的模式，但现在他们可以用光来控制神经元，并将它们的活动与果蝇的飞行、气味探测和睡眠以及老鼠的焦虑、狩猎和社会关系等行为联系起来

在实验台上，光遗传学还发现了治疗应用。Emiliani指出，人们正在使用光遗传学工具，通过基因疗法将通道视紫红质引入视黄醛细胞，部分恢复视力Hegemann说:“这种广泛的应用完全出乎意料。”

这些通道视紫红质的发现是可能的，因为Hegemann的团队多样化了他们的技能，并开始进行电生理学实验。他继续鼓励他的团队成员采用多学科方法。他的一个从物理学开始的研究生Anika Spreen说:“他总是告诉我，‘我知道改变领域和学习所有这些新方法需要很长时间，但最终这是值得的。’”她补充说，“他在你身上投入了时间，这一直都是理所当然的。”

自从他成立这个小组以来，他对理解光感受器工作原理的渴望从未减弱。现在，他的团队专注于光遗传学应用的改进通道视紫红质，通过微调通道视紫红质对不同波长的响应以及它们刺激离子冲进细胞的速度。

展望未来，Hegemann推动在他的大学建立一个新的研究所，该研究所将于2028年开始，将专注于光学生物学。他的目标是利用人工智能来预测尚未开发的视紫红质的结构和性质，并研究蛋白质如何对其他刺激(如磁场)做出反应。

由于他在光遗传学领域的贡献，Hegemann获得了2020年邵逸夫奖。“如果你没有基础科学，就没有什么可以应用的。应用来自基础研究。许多突破性的技术来自完全不同的领域。”