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。

如图5所示， Franklandet等研究人员采用光遗传学技术，在小鼠脑中成功实现了这一过程，通过激活特定的记忆相关神经元，在没有相应经历的条件下插入了记忆，这种实验表明可以在大脑中人为创建记忆印迹，并提供了一种在时间和空间上独立操作细胞级记忆形成的方法。在训练阶段［图5（a）］，常规通过同时呈现条件刺激（CS）和非条件刺激（US）来建立条件反应；同时，通过光遗传学激活特定神经元模拟了这种联合呈现，从而展示了记忆的人工激活方法。在测试阶段［图5（b）］，研究仅呈现条件刺激（CS）以测试记忆的回忆或反应，观察小鼠是否能在缺少非条件刺激的情况下回忆起先前的经历。脑部成像部分［图5（c）］捕捉刺激前后大脑结构活动的变化，特别是在关键的记忆形成区域如前额皮层和海马区。图5（d）和图5（e）展示训练和测试阶段不同脑区的活动水平变化，其中红色线条和灰色阴影分别代表平均活动水平和变异范围，揭示记忆激活的神经基础。最后，部分通过测量细胞体积的变化来具体评估记忆编码的效果［图5（f）、图5（g）、图5（h）］，条形图清晰显示了对照组和实验组之间的显著差异，证实通过光遗传学激活的记忆与自然形成的记忆在神经活动上的相似性［114］。