图 5/5：用快速的光源扫过这些神经元，神经元的细胞膜也会打开离子通道。以这种方式打开细胞膜的离子通道引起神经元电位的改变从而激活神经元的方式，与神经元接收电信号刺激而激活的原理是类似的。通过激活相应的神经元，研究员们可以探明正常健康的老鼠的大脑工作机制以及出现神经性疾病的大脑的病变所在。

通过这个方式来让神经元「自主」产生带有光感蛋白的细胞膜，然后在快速的光刺激下，细胞膜上的光感蛋白打开离子通道，带电的分子经由通道进入细胞。这一过程可以说是对神经元受电位改变而激活的方式的精准再现，同时这种方式也支持神经元释放神经递质，进一步激活相关联的神经元。如此一来，整个神经系统受一点激发而完成整体「运作」。通过这个「运作」方式，神经回路受到电位改变被激活，然后激发相应器官的工作和对应的反射行为，以及产生被我们称之为奥秘的「思想」和「情感」。

神经科学家对神经元电位改变的模式研究，受限于当前的研究设备，因为这些设备不能提供相应研究部位的精确标定。生物学的重大发现往往依赖于精确的观察，这也意味着生物科学家们需要对生物体相应部位做出改变并精准观测改变后生物体的运行情况，目前这样的设备并不多见。传统的神经科学研究通过电刺激来观测相应的变化，在头皮上放置电极或者将电极植入脑中来刺激和记录一组或几组神经元的激活反应。与神经元相比，这些电极都太大且不灵敏，根本无法触及到某些神经元，比如脑海马体的神经元，而海马体是人类短期记忆的存储地。

这些限制让我烦恼。从工程师的角度来看，研究活生生的生物感觉是一件很混乱的事。当我在调整一个集成电路时，我可以去除一个晶体管然后看芯片是不是还能工作。如果它不能工作，我就可以肯定这个晶体管是造成这个故障的原因。但在生物系统中，要想隔离一个有关的变量，可就要困难多了。

使用光遗传学技术，我们可以将神经元像电路中的晶体管一样开启或关闭。遗传学家有很多不同的方式可以将必需的基因植入到非常特定的细胞簇之中。使用我们的光照设备，然后我们就可以开启一组特定的神经元。这些神经元会在数微秒内对光做出反应，从而使得我们可以很明显地观察到调整对结果的影响。

神经科学家很快就看到了同时研究健康的大脑和被疾病影响了的大脑的可能性。比如说，最近有一个研究团队通过刺激猴子大脑中能生成神经化学多巴胺的神经元而更深入地研究了猴子大脑，这些多巴胺在运动控制、动机、奖励和成瘾上发挥了重要的作用。与此同时，另一个研究团队正在确定帕金森病患者的运动问题和特定的产生多巴胺的细胞的关联程度。尽管这些研究都是在动物身上进行的，但它们也能为人类的医疗提供信息。

第一代的光遗传学技术使用光纤来携带一个光脉冲经过颅骨，得益于稳定的颅脑接口，并且能让研究人员持续点亮目标神经元。在这一步中，「被绳子拴住」的小鼠能够相当自由地在一个敞开的笼子中移动，但是这个系统也有缺点。研究人员必须将小鼠附着到光纤上，给它施加压力，并能改变行为实验的结果。此外，一只被拴住的小鼠无法在封闭的空间内找到方向，也无法钻到在笼子中睡觉的其它同伴中。

移除电线是一个巨大的挑战。一些研究者试图植入带有板载电池组的 LED 设备，但要长期使用的，它们就需要做得过大和过重。其他一些研究者可以把植入物做得很小，但是需要在小鼠的头上戴上一个笨重的无线供电发射其。这些头戴设备会干扰动物的自动运动并且改变其生活习惯，进入会影响到它们与其它小鼠的正常的社交活动。