無需植入物的大腦深部光遺傳學(xué)控制

根據(jù)近日Neuron雜志上的一篇報道，科學(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造出一種對光敏感的視蛋白，這種視蛋白非常敏感，即使被植入組織深處的細(xì)胞，它也能對外部光刺激做出反應(yīng)。在老鼠和獼猴身上的實驗表明，在頭骨或大腦表面發(fā)出藍(lán)光足以激活六毫米深的表達(dá)視蛋白的神經(jīng)元。

"這甚至是可能的，這讓我大吃一驚，"賓夕法尼亞大學(xué)研究疼痛和成癮的神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)的Gregory Corder說，他沒有參與這項研究。他繼續(xù)說，"在那樣的深度，基本上，嚙齒動物大腦的任何部分都可以做這種非侵入性的技術(shù)……非常令人印象深刻的。"

耶基斯國家靈長類動物研究中心的神經(jīng)疾病專家Adriana Galvan補充道："這一進(jìn)展將有助于擴大光遺傳學(xué)在非人類靈長類動物模型中的應(yīng)用，并使該技術(shù)更接近于臨床應(yīng)用于人類。"Galvan也不是研究小組的成員。

光遺傳學(xué)是一種可興奮的細(xì)胞，如神經(jīng)元，可以被光隨意控制的技術(shù)。為了做到這一點，研究人員通過基因工程使細(xì)胞產(chǎn)生了一種叫做視蛋白的離子通道，這種通道位于細(xì)胞的細(xì)胞膜上，并隨著特定波長的光而打開。打開燈光，然后讓離子充滿細(xì)胞，導(dǎo)致它們發(fā)光。由于光線不易穿透組織，為了激活活體動物大腦深處產(chǎn)生視蛋白的神經(jīng)元，研究人員以前會在大腦中插入光纜。這是"高度侵入性的"，Galvan說，并解釋說"腦組織可能被破壞。"

因此，研究人員正在研究降低光遺傳學(xué)侵害性的方法。一種方法是調(diào)整視蛋白使它們對光更敏感，或者使它們對紅光有反應(yīng)，紅光比藍(lán)光更容易穿透人體組織--傳統(tǒng)上視蛋白對藍(lán)光的波長有反應(yīng)。

當(dāng)麻省理工學(xué)院的Guoping Feng和他的團(tuán)隊開發(fā)他們的新型視蛋白時，提出一種非侵入性的光發(fā)生策略并不是他們優(yōu)先考慮的事情。他說，這"有點意外"。

彼時，馮正在使用另一種被稱為階躍功能視蛋白(SFO)的調(diào)整視蛋白，該視蛋白被設(shè)計成響應(yīng)一個波長而開啟，并一直保持到被另一個波長關(guān)閉。但是SFO不是很敏感，馮解釋說，所以他的團(tuán)隊決定引入一種突變，這種突變在另一種視蛋白中被認(rèn)為可以增加敏感度。

馮說，效果比預(yù)期要好得多。他回憶道："一開始，我簡直是在說，'哦，我們做過頭了，我們搞砸了。'SFO非常敏感，當(dāng)動物處于任何強光源下時，神經(jīng)元開始放電……我們簡直不敢相信。"這個團(tuán)隊很快意識到了視蛋白的價值。

作者說，盡管這個通道很敏感，正常的環(huán)境光不會引起動物體內(nèi)產(chǎn)生它的外來細(xì)胞放電。然而，這些動物應(yīng)該避免強光照射。

在老鼠身上進(jìn)行的實驗表明，當(dāng)這種新型視蛋白(作者將其命名為"SOUL"，意為具有超高光敏度的階梯功能視蛋白)在大腦任何部位的細(xì)胞中產(chǎn)生時，靠在頭蓋骨外側(cè)的一根光纜發(fā)出的藍(lán)光就足以激活神經(jīng)元。事實上，下丘腦外側(cè)大約5.5-6.2毫米處產(chǎn)生SOUL的神經(jīng)元的激活，抑制了饑餓老鼠的進(jìn)食行為--這是已知的刺激這一區(qū)域的效果。

為了研究SOUL在非人靈長類大腦中的效用，研究小組在獼猴大腦皮層深處注射了一種編碼視蛋白基因的病毒，深度可達(dá)5.6毫米。通過放置在大腦外膜上的光纖電纜(通過頭蓋骨上的一個開口)，插入的多通道探針顯示藍(lán)光激活了所有深度的神經(jīng)元。

"這是非人類靈長類動物大腦研究的一個重大進(jìn)展，"阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Kamran Khodakhah說，他沒有參與這項研究。然而，他注意到一些關(guān)于靈長動物由于SOUL激活而觀察到的大腦振蕩的問題。他說，這"非常出乎意料"。

馮說，"我們還不知道振蕩的確切原因"，但"這確實是一個潛在的混亂"，需要進(jìn)一步研究。他補充說，"刺激較小的大腦區(qū)域或特定的細(xì)胞類型可能會避免這個問題。"

哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Rafael Yuste說，這種特殊的細(xì)胞激活可以通過"使用具有單細(xì)胞分辨率的雙光子光遺傳學(xué)"來實現(xiàn)。Rafael Yuste沒有參與這項工作。

馮說，除了找出振蕩的來源和避免振蕩的方法外，他的團(tuán)隊現(xiàn)在還在尋找進(jìn)一步改善SOUL蛋白質(zhì)的方法。他說，一種可能性是改變激活波長。

如果SOUL能被紅光激活，Corder說，"他們可能會達(dá)到更深的深度。"