哈佛大學約翰-A-保爾森工程與應用科學學院（SEAS）和麻省理工學院的研究人員開發了一種新方法，以大腦中患病的神經元為目標，利用光改變它們的長期行為，將潛在的神經系統疾病如癲癇和自閉症的新療法變成可能。這項研究於12月7日發表在《科學進展》雜誌上。

SEAS生物工程助理教授、該研究的共同第一作者劉佳說：”我們設想這項技術將為神經科學和行為研究提供高時空分辨率控制神經元的新機會，並開發新的神經系統疾病治療方法。”

光遺傳學，即利用光來刺激或抑制神經元，長期以來有望徹底改變研究和治療由神經元興奮性過高或過低引起的神經系統疾病。然而，目前的光遺傳學技術只能在短期內改變神經元的興奮性。一旦燈光關閉，神經元就會恢復到原來的行為。

納米技術的最新進展，包括劉和他的團隊開創的靈活、可植入的納米電子技術，有可能長期改變神經元的行為，但這些設備需要植入大腦，而且不能被編程為針對參與疾病的特定神經元。

一個神經元的興奮性由兩個主要部分控制–其離子通道的傳導性和細胞膜儲存電荷的能力，即電容。

大多數光遺傳學技術以離子通道的傳導性為目標，通過打開或關閉一組特定的通道來調控神經元的興奮性。這種方法可以有效地調整神經元的興奮性，但只是暫時的。

可以把神經元想像成一個電阻-電容電路，把細胞膜想像成一個電介質材料。就像任何電路一樣，如果改變材料的電容–在這種情況下是細胞膜–可以長期改變電路的內在興奮性，從高興奮性變為低興奮性，反之亦然。

為了改變細胞膜的電容，劉佳與麻省理工學院化學系Thomas D. and Virginia Cabot助理教授Xiao Wang合作，使用了對光敏感的酶，這些酶可以在細胞膜的表面觸發絕緣或導電聚合物的形成。

這些酶可以被設計成針對特定神經元的細胞膜，酶附著在指定的膜上，研究人員使用藍色波長的光照亮神經元，在幾分鐘內觸發膜上絕緣或導電塗層的生成。他們證明，具有絕緣聚合物塗層的神經元變得更加興奮，而具有導電聚合物塗層的神經元變得不那麼興奮。

研究人員發現，他們可以通過調整光照時間來調整興奮性–神經元暴露在光照下的時間越長，塗層的絕緣性或導電性就越強。研究小組還表明，興奮性的變化持續了三天–只要他們能在培養皿中保持神經元的活力。

接下來，研究小組的目標是用腦組織切片和動物來測試這種方法。

這項工作的總體目標是實現範式轉變，將功能材料、結構和設備整合到具有亞細胞和細胞類型特異性的活體神經系統中，這將允許精確操縱亞細胞電化學特性，重塑活體神經系統中神經元的興奮性。