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“把科學帶回家”所有
撰文 比鄰星
R走進了一間藍色的屋子，他沒有特别的任務，隻需要記下自己曾來過這裡。
這不是什麼難事，簡單踱步後，R離開了藍屋。他的下一個目的地是紅色的房間。
紅屋和藍屋一樣空蕩，可跨入第一步，R就覺得有些不對勁。腳底酥酥麻麻，好像渾身通了電，這很不舒服。忽然，他的頭頂照下了一束光，一切都不一樣了。他覺得自己瞬間回到了藍屋，他不斷問自己——這裡到底是什麼顔色的房間？
光滅了，R的眼前又是紅色的牆壁，地闆也變回了舒服的樣子。沒有電流，沒有痛苦。還剩最後一個任務，再次走回沒有危險的藍屋。可當R推開藍屋的大門時，腦海中突然湧出了一些可怕的回憶。他記起這裡的地闆讓人難受，于是一動不動地站在了門口……
顯然，R被植入了一段錯誤的記憶。有電流的是紅屋，但在R的記憶中，自己是在藍屋被電擊的。這是一段真實的故事，它發生于麻省理工的一間神經科學實驗室，主角R是隻老鼠。背後用到的技術，就是剛剛收獲拉斯克獎的光遺傳學。
光遺傳學領域的3位科學家獲2021年拉斯克獎基礎醫學研究獎 圖/laskerfoundation.org
光為什麼能篡改記憶？讓我們先從自然界中一種簡單而平凡的生物：綠藻說起。
當你用光照射綠藻時，它們會主動向光源方向移動，這一特性被稱為趨光性。但綠藻是種單細胞生物，它們沒有眼睛，又怎麼能看到光呢？
能感光的綠藻
圖/YouTube @Albert and Mary Lasker Foundation
秘密在細胞膜上。綠藻的細胞膜上有一些特殊的蛋白質，它們本質是種離子通道。當這個通道開啟時，陽離子會流入細胞内，此時細胞将被激活處于興奮狀态。但這個通道設了一個門，就像我們可以刷臉或者刷指紋來開門，這道離子通道的門，刷的是“光”。
光敏通道要靠光激活
當某些波長的光照向蛋白，通道就會開啟，細胞随之激活。換句話說，這種蛋白可以感應光，起到了眼睛的作用。它的學名叫通道視紫紅質（ChR），我們暫且把它叫“綠藻的眼睛”。
通道視紫紅質結構圖 圖/Wiki Commons
類似的感光蛋白也存在于你的視網膜中，但其他位置的神經元上沒有。這能證明一件顯而易見的事——假如你被蒙着眼，一道冷光照到腿上，你不會有任何感覺。因為腿上沒有感光蛋白，是以你的腿不覺得自己變亮了。
但如果我們給腿部的某些細胞裝上“綠藻的眼睛”呢？或者直接給腦子裡的某些神經元裝上？這就是光遺傳學。
人的大腦中有860億神經元，每個神經元平均能與上千個其他神經元連接配接。在錯綜複雜的網絡中鎖定某幾根神經元的确太難了，比在淩亂的房間裡找貓更難！科學家一直在嘗試不同的方式，激活特定的神經元。
大腦中的神經元錯綜複雜
©️nature video
由于神經元傳遞信号的方式有電信号和化學信号兩種，他們首先想到的，自然是利用電流或者是特定的藥物（起到神經遞質的作用）來操控神經元。但這兩種方式的弊端都很明顯，電刺激足夠快，但是一電就電一片，無法精準操控。藥物要随着全身血液循環，不僅難以操控，而且起效有延遲。它們都不是最理想的方式。
神經遞質通過神經元間的突觸結構傳遞資訊
那麼光呢？光可太快了，沒有什麼能比光速更快，這樣的作用絕對夠及時。至于精準操控這點，就需要“遺傳學”來介入了。粗暴的說，就是給標明的神經元轉入“綠藻眼睛”的基因，這樣一來，當對着腦部照射光束時，隻有那部分長着“眼睛”的神經元會興奮。如果此時動物表現出了不一樣的行為，就可以直接說明標明的神經元對應着該行為。
讓神經元長出“綠藻的眼睛”，它就能被光激活了。
圖/Wiki Commons
事情好辦多了。目前的技術已經篩選出了不少神經元的特異性标簽，利用這些标簽就能讓外來基因在特定的神經元表達。舉個栗子，已知果蠅喜歡避光，這個行為被特定的神經元控制。假如借助病毒在這些神經元中表達“綠藻眼睛”的基因，再用光照射果蠅，果蠅就會逃跑。
但果蠅也有眼睛，它們本身就能看到光啊。于是為了排除幹擾，研究者把果蠅的腦袋揪掉了。此時果蠅仍可短暫存活，并且胸部保留有部分控制逃跑的神經元。再把光照向果蠅，無頭果蠅依然迅速逃跑。
無頭果蠅（下）依然表現出逃跑行為
©️ Cell Press
這束光成功操控了果蠅的逃跑反應。類似的實驗也發生在小鼠身上，頭頂光纖的小老鼠可以利用相同的原理産生虛假的飽腹感，以及開頭故事中提到的虛假記憶。
知道了背景後再去看R的故事，因果關系就明朗多了。當R第一次走進藍屋（其實就是把小鼠放進藍色的盒子），它産生了關于來過這裡的記憶。這部分記憶由海馬體特定的神經元産生，研究者在這部分神經元中轉入了感光蛋白基因。
實驗鼠本鼠
當R進入紅屋後，研究者用光激活了這部分記憶神經元。此時關于藍屋的記憶被強制喚醒，當R的足底受到電擊時，會自然而然地把兩件事聯系到一起。它的記憶變成了“藍屋中有足底電擊”。
最後再次踏入藍屋，映入眼簾的場景引出了已有的錯誤記憶。R很恐懼，會表現出小鼠的“定格”反應，就像被車燈照射的小鹿。
關于光遺傳學的故事還有很多，這裡介紹的隻是其中一角。當小編第一次走進神經生物學實驗室時，導師發給我的就是一篇關于光遺傳學的論文。那是我的專業啟蒙讀物，看到一束光就能讓神經生物學家操控動物的行為、書寫它們的記憶時，我很快想到了科幻電影《暖暖内含光》，以及《三體》中的思想鋼印。
海馬體中一叢叢的神經元
©️ nature video
在神經生物學家眼中，記憶就是一塊海馬體磁盤，而意志的本質也是物質。
封面來源：豆瓣
參考資料：https://shimowendang.com/docx/DhrjGqXtcCCp9Pdt/ 《光遺傳學 參考資料》
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