光遗传

控制特定神经元活动的技术

光遗传通常是指结合光学与遗传学手段，精确控制特定神经元活动的技术。斯坦福大学Diesseroth实验室2007 年发表在《自然》(Nature)上关于光控制神经回路的文章，被麻省理工学院技术综述评为该年度十大最有影响的技术之一。2010年该技术入选Nature Methods 年年度方法（Method of the Year）”，Science杂志“十年突破（Breakthroughs of the Decade）”。

定义

该技术利用分子生物学、病毒生物学等手段，将外源光敏感蛋白基因导入活细胞中，在细胞膜结构上表达了光敏感通道蛋白；然后通过特定波长光的照射，控制细胞膜结构上的光敏感通道蛋白的激活与关闭；光敏感蛋白的激活和关闭可控制细胞膜上离子通道的打开与关闭，进而改变细胞膜电压的变化，如膜的去极化与超极化。当膜电压去极化超过一定阈值时就会诱发神经元产生可传导的电信号，即神经元的激活；相反，当膜电压超极化到一定水平时，就会抑制神经元动作电位的产生，即神经元的抑制。神经元生物学家经常运用这种技术，通过光学方法无损伤或低损伤地控制特异神经元的活动，来研究该神经网络功能，特别适用于在体、甚至清醒动物行为学实验。

同时，利用类似的光学与遗传学手段，可控制脑细胞外其它细胞中的蛋白表达，从而实现光诱导蛋白质表达，启动细胞内生物学过程，进而控制生物行为。因此光遗传技术在生命活动与疾病研究中应用广泛。

1.活化神经元的光遗传学工具

在特定波段光的激发下，诱导光敏感蛋白的激活，促使神经元细胞膜去极化的工具即为活化神经元的光遗传工具。其中，典型的用于激活神经元的光敏感通道蛋白ChR2（channelrhodopsin），最早从莱茵衣藻中发现，后经人为突变、修饰，改造成能适用于哺乳动物细胞、表达稳定对细胞无毒的工具。该蛋白在蓝光（最大激发峰在470nm波长附近）的激发下会诱导阳离子通道的打开，促使神经元的去极化，进而诱发动作电位，激活神经元。如图1左侧图示。

2. 抑制性神经元光遗传工具

（optogenetics for inhibition of neuronal activity）

在特定波段光的激发下，诱导光敏感蛋白的激活，促使神经元细胞膜超极化的工具即为抑制神经元的光遗传工具。其中典型的抑制神经元活动的光敏感蛋白NpHR（盐系菌视紫红质），最早从嗜盐碱菌里发现，NpHR在黄绿光（最大激发峰在590nm波长附近）的激发下会诱导氯离子通道的打开，氯离子内流造成神经元的超极化，从而抑制神经元动作电位的产生；当然还有在苏打盐红菌里发现的Arch（古紫质），它在黄绿光（最大激发峰在566nm波长附近）的激发下会诱导质子的外流，从而产生超极化信号，抑制神经元的活动。如图一右侧图示。

图1 光遗传工具调控膜电压控制神经发放工作原理[2]

3.应用实例

以下图2-4给出一些应用实例，分别是在脑片和完整动物上进行的利用光控制神经活动的实验。

图2 蓝光精确控制表达ChR2-EYFP的神经细胞诱导大鼠前度前额叶皮层神经元的活动

a）离体原理图，b）活体实验图

图3 绿光通过控制表达有NpHR蛋白神经细胞迅速并可逆地抑制大鼠前度前额叶皮层自发活动

（上：示意，下：电活动在激光开启时被抑制）

图4 光纤传输蓝光控制自由活动动物的运动方向改变。

右侧次级运动皮层（M2）锥体细胞受光照，小鼠持续左转，光刺激消失后立即恢复自由运动

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