郑益坤, 郑婕, 胡国鹏

合成生物学 2025, 6 (1): 87-104. DOI:10.12211/2096-8280.2024-042

摘要（404）

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光遗传学是一种结合光学和遗传学的新型细胞生物学工具。通过引入光激活通道（光敏感蛋白基因）到特定的神经元群体，光遗传学能够以毫秒级精度对这些神经元进行非侵入性光学控制。这一技术的进步为研究学习和记忆的神经生物学基础提供了强大支持。通过在活体动物中精确操控神经元活动，研究人员可以更详细地分析神经网络的功能，探索学习和记忆过程中的分子、细胞和神经回路机制。光遗传学不仅揭示了突触可塑性在记忆形成中的关键作用，还通过特定波长的光激活或抑制神经元，实现记忆的生成、消除和恢复。本文综述了光遗传学工具在学习和记忆研究中的应用，包括不同波长光照对受体的影响、光学刺激对记忆的激活和抑制，以及基于光遗传学的神经功能增强研究方法。然而，在光遗传学的应用过程中仍存在一些挑战，例如开发安全且高效的基因传递载体、优化光敏蛋白的性能、探索其在临床环境中转化的可行性等。解决这些问题对于光遗传学的进一步发展至关重要。未来，随着光遗传学工具的持续优化和跨学科技术的融合应用，这项技术有望在治疗神经系统疾病、增强认知功能与成瘾研究等领域提供新的理论基础和实践方法。

图1 突触连接强化示意图
（图中展示神经元A、R和B之间的突触连接如何通过重复的电生理刺激得到增强。该过程模拟信息的重复编码机制，并反映了形成长期记忆的基本原理。根据Hebb法则，如果两个神经元频繁且近距离地共同活动，相关突触连接将得到加强，从而提高信息传递的效率并增强突触后的反应能力）

如图1所示，重复的电生理刺激显著增强了神经元A、R、B之间的突触连接。这种增强效果通过特定的分子和电生理机制实现，从而加固了神经元A与神经元B间的突触连接。该效应与Hebb法则相符，即两个同时活跃的神经元之间的连接得到强化［29］。此外，重复的神经活动增进神经元A、R与B之间的信息传递效率，同时提升神经元B的突触后反应能力［30］。这些变化促进突触结构的适应性调整，为长期记忆的形成提供生物学依据，深化了对学习和记忆过程中神经网络重塑及其优化反应的理解［31］。

图3（a）和图3（b）展示了群体水平的输入-输出组织在学习和记忆的神经机制中起重要作用的两种不同神经元连接架构。图3（a）展示的偏向输入-分隔输出架构中，不同来源的输入神经元群体（A1，A2，...，Am）向中间层（B）发送信号，从而被中间层接收并处理，最后被传递到输出层。不同的输入信号被分隔处理，并最终传递到不同的目标神经元群体（C1，C2，...，Cn），实现差异化处理，从而支持复杂的学习和记忆功能。在图1（b）展示的整合和传递架构中，不同来源的输入神经元群体的信号在中间层（B）整合后，发送到多个目标神经元群体（C1，C2，...，Cn）［32］。结合这些架构图与光遗传学技术，研究人员可更加深入地理解神经系统如何在接收和处理多种输入信号后，快速广泛地将整合的信息传播给多个目标神经元群体，这对于复杂的学习和记忆过程至关重要。