作者：ZS 編審：王新凱
排版：王落塵
近日，來自美國西北大學(xué)的黃永剛教授、Kozorovitskiy 教授、Rogers 教授以及大連理工大學(xué)的解兆謙教授合作，成功開發(fā)出首個(gè)超微型、無線、無電池且完全可植入的光遺傳控制設(shè)備，并在小鼠體內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)無線光遺傳控制，讓一對(duì)陌生的小鼠快速成為了 “好兄弟”。
相關(guān)研究以 “Wireless multilateral devices for optogenetic studies of individual and social behaviors” 為題，發(fā)表在最新一期的 Nature Neuroscience 雜志上。美國西北大學(xué)黃永剛教授、Kozorovitskiy 教授、Rogers 教授以及大連理工大學(xué)解兆謙教授為本文通訊作者。
對(duì)此，Kozorovitskiy 教授表示，“以前的光遺傳學(xué)技術(shù)無法觀察多只動(dòng)物在復(fù)雜環(huán)境中的社交互動(dòng)。因?yàn)榇饲暗墓膺z傳學(xué)控制需要用到光纖，而在復(fù)雜環(huán)境中，光纖容易被折斷或?qū)?dòng)物纏繞住。顯然，我們開發(fā)的無線光遺傳調(diào)控裝置更適合在復(fù)雜環(huán)境中研究動(dòng)物的行為?！?/span>
神奇的光遺傳學(xué)
光遺傳學(xué)是一項(xiàng)整合了光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的技術(shù)。我們知道，當(dāng)神經(jīng)元處于靜息狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞膜兩邊存在著電位差，這被稱為靜息電位。靜息電位的產(chǎn)生是由于膜內(nèi)外各種離子的分布不均衡，以及細(xì)胞膜蛋白對(duì)各種離子的通透性不同造成的。
而光遺傳學(xué)的基本原理在于，首先運(yùn)用工具病毒載體，將光感基因（如 ChR2，eBR，NpHR3.0，Arch 或 OptoXR 等）轉(zhuǎn)入到神經(jīng)系統(tǒng)特定類型的細(xì)胞中進(jìn)行特殊離子通道或 GPCR 的表達(dá)。光感離子通道在不同波長(zhǎng)的光照刺激下會(huì)分別對(duì)陽離子或者陰離子的通過產(chǎn)生選擇性，如 Cl-、Na+、H+、K+，從而造成細(xì)胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達(dá)到對(duì)細(xì)胞選擇性地興奮或者抑制的目的。
圖 | 可以操控大腦神經(jīng)元的光遺傳學(xué)技術(shù)（來源：spectrumnews）
相比起傳統(tǒng)的研究方法，光遺傳學(xué)有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它只需要向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)入一個(gè)蛋白，實(shí)際操作性高；以光作為刺激媒介，可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的毫秒級(jí)操控；利用光遺傳技術(shù)觀察神經(jīng)投射；通過組織特異性啟動(dòng)子實(shí)現(xiàn)特定細(xì)胞的調(diào)控；對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的創(chuàng)傷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法，且沒有異物侵入組織；可以用定位的光纖來局部刺激細(xì)胞，也可以設(shè)計(jì)彌散光大范圍刺激腦區(qū)。
早在 1960 年代，耶魯大學(xué)年輕的科恩教授（Lawrence B. Cohen) 就開始想辦法引進(jìn)一個(gè)光的元素，把神經(jīng)電信號(hào)變成光。
他的想法是利用一種化學(xué)染料把神經(jīng)細(xì)胞染色。染料的分子并不進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞，而只附著在細(xì)胞膜上。這樣當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生電信號(hào)時(shí)，染料的分子結(jié)構(gòu)受到電場(chǎng)影響而改變顏色。這樣就可以通過測(cè)量染料的熒光來對(duì)神經(jīng)組織進(jìn)行成像。
但是這種方法有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是對(duì)神經(jīng)細(xì)胞沒有選擇性，不同神經(jīng)細(xì)胞對(duì)光信號(hào)貢獻(xiàn)沒法分開。我們知道大腦中有興奮和抑制兩種神經(jīng)細(xì)胞，就像汽車的油門和剎車，興奮的負(fù)責(zé) “嗨”，抑制的負(fù)責(zé)瞌睡。如果有一種方法能分清楚這兩種不同細(xì)胞的信號(hào)，那研究工作就更上了一層樓?？墒腔瘜W(xué)染料對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的選擇性是很差的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到分辨不同來自細(xì)胞的信號(hào)。
1990 年代，下村脩的水母熒光蛋白迅速成為光學(xué)遺傳學(xué)領(lǐng)域中的第一個(gè)明星。首先，它的基因被克隆，并可以在其他物種中表達(dá)。由此只要把它的基因轉(zhuǎn)移到某些細(xì)胞中，這些細(xì)胞就可以在組織中發(fā)亮，給科學(xué)家指引目標(biāo)。
2005 年，斯坦福大學(xué) Karl Deisseroth 實(shí)驗(yàn)室通過在小鼠活體神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)藻類光敏蛋白，然后成功使用外部光源來控制和監(jiān)視小鼠大腦活動(dòng)。這一研究成功實(shí)現(xiàn)活體神經(jīng)細(xì)胞響應(yīng)不同波長(zhǎng)的光刺激調(diào)控，宣布人類正式擁有了精準(zhǔn)操控大腦的工具。
這項(xiàng)技術(shù)聽起來可能像是科幻小說，但是它確實(shí)是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。目前，人類利用光遺傳學(xué)技術(shù)在修復(fù)失明和神經(jīng)退行性疾病上都取得了非常重大的突破
新型超微、無線、無電池、可植入光遺傳控制設(shè)備
雖然光遺傳學(xué)是一項(xiàng)應(yīng)用前景十分廣泛的技術(shù)，然而此前的光遺傳學(xué)研究一直受到光傳輸技術(shù)的限制。例如，此前人類可以輕松利用光遺傳技術(shù)控制單獨(dú)動(dòng)物的神經(jīng)活動(dòng)，卻對(duì)于多只動(dòng)物的社交活動(dòng)束手無策。
因?yàn)楣膺z傳學(xué)控制所需的光源通常會(huì)通過光纖與動(dòng)物頭部連接。而當(dāng)動(dòng)物四處活動(dòng)時(shí)，光纖無疑是一個(gè)巨大的阻礙，會(huì)限制動(dòng)物的行動(dòng)，也容易被折斷。
為了解決傳統(tǒng)光纖的束縛，研究人員嘗試開發(fā)了一種微小的無線光調(diào)控設(shè)備，該設(shè)備可以輕輕地放在動(dòng)物頭骨表面，通過 LED 柔性細(xì)絲探針延伸至大腦內(nèi)部，控制神經(jīng)元活動(dòng)。
（來源：美國西北大學(xué)官網(wǎng)）
這一微型設(shè)備利用近場(chǎng)通信協(xié)議，類似于手機(jī)的電子支付技術(shù)，使得研究人員可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制 LED 燈的活動(dòng)。此外，這一無線設(shè)備利用實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地周邊的線圈為設(shè)備進(jìn)行無線供電，無需笨重的電池，也可以長(zhǎng)期使用。
為了驗(yàn)證這一技術(shù)的實(shí)用性，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來探索光遺傳調(diào)控下的小鼠社交互動(dòng)。
在封閉環(huán)境中，當(dāng)兩只小鼠彼此靠近時(shí)，研究人員通過無線光遺傳調(diào)控設(shè)備激活這兩只小鼠大腦中的高階執(zhí)行功能相關(guān)神經(jīng)元。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于其他小鼠，這兩只小鼠迅速化身 “好兄弟”，開始頻繁、長(zhǎng)時(shí)間的互動(dòng)和交流。而一旦失去刺激，這兩只小鼠又會(huì)迅速降低社交和互動(dòng)的頻率，變得 “冷淡”。
對(duì)此，Rogers 教授表示，“本研究首次在特定環(huán)境中同時(shí)對(duì)多個(gè)光遺傳調(diào)控設(shè)備進(jìn)行完全獨(dú)立的數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)了光遺傳學(xué)的無線控制。這一技術(shù)的成功對(duì)于社群動(dòng)物的腦活動(dòng)研究非常重要，這也是目前神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最有趣、最前沿、最令人興奮的方向之一。”
總的來說，這一研究，首次證明了無線光遺傳調(diào)控裝置的可行性，并首次在社群動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)社交行為調(diào)控，為未來社群動(dòng)物腦活動(dòng)研究奠定了基礎(chǔ)。
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41593-021-00849-x
https://news.northwestern.edu/stories/2021/05/implanted-wireless-device-triggers-mice-to-form-instant-bond/
聯(lián)系客服
