光遺傳學是近年來深刻改變神經科學研究格局的新方法，為深入理解人腦功能開辟了全新途徑。該技術使研究者能夠以極高的精度考察特定腦細胞內的神經活動模式如何產生思想、行為與記憶，從而為抑郁癥、成癮、精神分裂癥和帕金森病等神經與精神疾病的防治研究提供支持。

技術原理

哺乳動物大腦是極為復雜精妙的系統，數千億個具有不同特性與連接方式的神經元相互交織，以毫秒級電信號和多種生化信使進行信息處理。

神經科學家早在數十年前便已認識到，要更深入理解大腦的實際工作方式，需要一種方法能夠只調控某一類腦細胞而不影響其他細胞。基于電極的電刺激難以滿足這一要求：電極作為工具過于粗糙，會在插入位點刺激所有神經回路而無法區分細胞類型；更關鍵的是，其信號無法精確關閉神經元。光遺傳學為這一挑戰提供了重要解決方案。該方法基于一項發現：體外培養的神經元或活體動物腦細胞可經基因改造表達光敏蛋白（視蛋白）。經光敏化的神經元能夠以很高的時間與空間精度被選擇性開啟或關閉，從而支持對神經網絡結構與功能的細致研究。

視蛋白種類繁多、響應特性各異，可分為兩類根本不同的類型：一類用于打開離子通道、激活細胞活動，其敏感峰值位于470 nm；另一類用于關閉或抑制細胞活動，其敏感峰值介于550 nm至近紅外波段之間，常用的關閉型視蛋白峰值位于590 nm。

實驗時，神經科學家先用攜帶特定視蛋白的病毒感染實驗動物的目標腦區；待該腦區對光產生敏感性后，在動物頭部安裝光纖接口，使激光經光纖傳入實驗腦區，動物在實驗期間可自由活動。

光源選擇的關鍵要求

神經科學家面臨的實際挑戰在于：既要讓選定腦區獲得足夠光照以達到預期效果，又要避免過度光照，這使得光遺傳學光源的選擇頗為講究。激光器顯然須具備與視蛋白匹配的波長；同時須有足夠的輸出功率，并可在較寬范圍內調節。功率的時間穩定性極為重要，因為實驗可能持續數分鐘。此外，光源還必須具備從零至200 Hz的調制能力；盡管調制速率不高，上升時間仍須達到毫秒量級，且調制期間的逐脈沖功率穩定性同樣關鍵。

面向光遺傳學的激光解決方案

光遺傳學是典型的多學科交叉領域，涉及遺傳學、心理學、神經病學以及激光物理與光纖光學，這一特性帶來現實挑戰：許多光遺傳學研究者難以確定適合其具體實驗的光源與光纖組件組合。為此，Cobolt與該領域多家知名研究團隊緊密合作，開發了面向高端光遺傳學實驗的定制化激光引擎方案，使激光與光纖經驗有限的研究者也能便捷使用。該方案由473、532、561、594或640 nm激光器構成，具備高速、穩定且高開關比的調制能力，均可光纖耦合輸出，既可采用單波長激光器，也可將兩臺激光器同軸合束后耦合至同一光纖。

相關評述文章見諸BioPhotonics等期刊，內容涉及激光器與光學器件在光遺傳學研究中的應用，以及激光器與LED在腦研究中的特性比較。

相關產品

Cobolt光遺傳學激光解決方案：100 mW 473 nm激光器可與594 nm、532 nm、561 nm或660 nm組合，具備高速、穩定的高開關比調制能力，以配備穩定光纖輸出的獨立單元提供，或經合束后由單一光纖輸出。

C-FLEX為緊湊型激光合束器，波長375–1064 nm，功率50–1000 mW，適用于顯微鏡、拉曼光譜與全息術。

VALO飛秒系列為超快飛秒光纖激光器，脈沖持續時間低至30 fs，功率可達3 W，適用于多光子顯微鏡、雙光子聚合與光遺傳學。

Cobolt 06-01系列為即插即用調制連續波激光器，波長375–1060 nm，功率40–400 mW，適用于顯微鏡、流式細胞術與光遺傳學。

Cobolt Skyra為多線激光器平臺，波長405–685 nm，功率50 mW與100 mW，適用于顯微鏡與流式細胞術。