光遗传学的当前和未来应用

光遗传学是使用光来控制细胞行为的科学。它是应用研究领域中发展最快的领域之一。光遗传学技术能够控制可电刺激的细胞，例如肌肉或神经细胞。

为了使神经元对光敏感，它装有称为视紫红质的特殊光敏蛋白。这些与我们愿景中涉及的相似。

视用于修饰神经元的特定视紫红质而定，当被照亮时，它将传输或阻断神经冲动。这样可以控制单个器官，身体部位，甚至整个生物体的行为。

例如，光可以用来阻挡疼痛信号。全球许多人都经历着慢性痛苦。所有当代医学必须提供的止痛药，通常会导致患者产生药物依赖性或副作用。

光敏蛋白的概念自然表明盲人有恢复视力的可能性。在某些视网膜细胞受损的情况下，这确实是一种选择。通过在所谓的视网膜神经节细胞中引起光敏性，可以在某种程度上恢复失去的视力，视网膜神经节细胞通常从其他专门细胞接收视觉信息，而不是直接吸收光。

现代医学的重大进步使我们能够通过服用药丸和接受各种治疗来大大延长人的寿命。但是，如果患者患有与衰老相关的脑部疾病，例如阿尔茨海默氏病或帕金森氏病，那么他们的生活质量必然会恶化。

科学家正在研究治疗这些疾病或至少减轻症状的方法。光遗传学在这方面也有发言权：它可以为当前流行的称为深部脑刺激的治疗程序提供替代方案。

后者涉及使用植入的电极来电刺激大脑的特定区域。该技术依赖于电极的非常精确的定位，无论它们的类型如何，都会激发大量周围的神经元。

相比之下，光遗传学技术提供了选择性激发特定类型神经元的方法。除此之外，最新的激光技术还可以实现高精度的光束定位，这意味着不再需要将金属电极植入大脑。

甚至心脏也可以通过光遗传学升级来纠正心率异常。通过将适当的视紫红质引入窦房结(也称为心脏的自然起搏器)，可以利用人体的天然机制通过光脉冲来调节收缩率。

但是，如果将视紫红质植入心肌细胞(构成心肌的细胞)中，则可以直接控制心律。这是目前正在开发中的光遗传学起搏器的原理。

光遗传学可以帮助瘫痪患者恢复运动功能。这将涉及使用光激活修饰的运动神经元，进而触发肌肉收缩。

另一个可能的替代方法是修改肌肉细胞本身，然后直接在其上使用光以产生收缩。在这种设置中，我们可以拾取与弯曲手臂相关的大脑信号，并通过照亮所涉及的肌肉进行响应，从而引起手臂弯曲。

现在仅对模型生物(例如小鼠和鱼)进行此类实验。这是由于必须使用病毒将视紫红质(该方法的核心蛋白质)传递到细胞中这一事实。

病毒将编码某种蛋白质的基因带入细胞，然后该细胞开始产生该蛋白质。在许多国家，这种程序被称为基因疗法，受到严格管制或完全禁止。

希望，目前正在进行的实验将减轻患者对将异源基因引入体内的焦虑感。该技术是非常安全的，现在是要确保允许广泛使用这些蛋白质递送方法的问题。

毫无疑问，光遗传学最终可以用于修复人体衰竭的器官。基因疗法将使我们能够完全无创地做到这一点。” MIPT膜蛋白高级研究实验室的Vitaly Shevchenko说。“如果需要的话，甚至可以通过用更有效的组件替换某些零件来'升级'我们的身体!”

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