Neuron：无需植入物的大脑深部光遗传学控制

2020年5月26日讯 /生物谷BIOON /——根据近日Neuron杂志上的一篇报道，科学家们已经创造出一种对光敏感的视蛋白，这种视蛋白非常敏感，即使被植入组织深处的细胞，它也能对外部光刺激做出反应。在老鼠和猕猴身上的实验表明，在头骨或大脑表面发出蓝光足以激活六毫米深的表达视蛋白的神经元。"这甚至是可能的，这让我大吃一惊，"宾夕法尼亚大学研究疼痛和成瘾的神经

2020年5月26日讯 /生物谷BIOON /——根据近日Neuron杂志上的一篇报道，科学家们已经创造出一种对光敏感的视蛋白，这种视蛋白非常敏感，即使被植入组织深处的细胞，它也能对外部光刺激做出反应。在老鼠和猕猴身上的实验表明，在头骨或大脑表面发出蓝光足以激活六毫米深的表达视蛋白的神经元。
"这甚至是可能的，这让我大吃一惊，"宾夕法尼亚大学研究疼痛和成瘾的神经学基础的Gregory Corder说，他没有参与这项研究。他继续说，"在那样的深度，基本上，啮齿动物大脑的任何部分都可以做这种非侵入性的技术……非常令人印象深刻的。"
耶基斯国家灵长类动物研究中心的神经疾病专家Adriana Galvan补充道："这一进展将有助于扩大光遗传学在非人类灵长类动物模型中的应用，并使该技术更接近于临床应用于人类。"Galvan也不是研究小组的成员。
图片来源：GUOPING FENG
光遗传学是一种可兴奋的细胞，如神经元，可以被光随意控制的技术。为了做到这一点，研究人员通过基因工程使细胞产生了一种叫做视蛋白的离子通道，这种通道位于细胞的细胞膜上，并随着特定波长的光而打开。打开灯光，然后让离子充满细胞，导致它们发光。由于光线不易穿透组织，为了激活活体动物大脑深处产生视蛋白的神经元，研究人员以前会在大脑中插入光缆。这是"高度侵入性的"，Galvan说，并解释说"脑组织可能被破坏。"
因此，研究人员正在研究降低光遗传学侵害性的方法。一种方法是调整视蛋白使它们对光更敏感，或者使它们对红光有反应，红光比蓝光更容易穿透人体组织--传统上视蛋白对蓝光的波长有反应。
当麻省理工学院的Guoping Feng和他的团队开发他们的新型视蛋白时，提出一种非侵入性的光发生策略并不是他们优先考虑的事情。他说，这"有点意外"。
彼时，冯正在使用另一种被称为阶跃功能视蛋白(SFO)的调整视蛋白，该视蛋白被设计成响应一个波长而开启，并一直保持到被另一个波长关闭。但是SFO不是很敏感，冯解释说，所以他的团队决定引入一种突变，这种突变在另一种视蛋白中被认为可以增加敏感度。
冯说，效果比预期要好得多。他回忆道："一开始，我简直是在说，'哦，我们做过头了，我们搞砸了。'SFO非常敏感，当动物处于任何强光源下时，神经元开始放电……我们简直不敢相信。"这个团队很快意识到了视蛋白的价值。
作者说，尽管这个通道很敏感，正常的环境光不会引起动物体内产生它的外来细胞放电。然而，这些动物应该避免强光照射。
在老鼠身上进行的实验表明，当这种新型视蛋白(作者将其命名为"SOUL"，意为具有超高光敏度的阶梯功能视蛋白)在大脑任何部位的细胞中产生时，靠在头盖骨外侧的一根光缆发出的蓝光就足以激活神经元。事实上，下丘脑外侧大约5.5-6.2毫米处产生SOUL的神经元的激活，抑制了饥饿老鼠的进食行为--这是已知的刺激这一区域的效果。
为了研究SOUL在非人灵长类大脑中的效用，研究小组在猕猴大脑皮层深处注射了一种编码视蛋白基因的病毒，深度可达5.6毫米。通过放置在大脑外膜上的光纤电缆(通过头盖骨上的一个开口)，插入的多通道探针显示蓝光激活了所有深度的神经元。
"这是非人类灵长类动物大脑研究的一个重大进展，"阿尔伯特·爱因斯坦医学院的神经科学家Kamran Khodakhah说，他没有参与这项研究。然而，他注意到一些关于灵长动物由于SOUL激活而观察到的大脑振荡的问题。他说，这"非常出乎意料"。
冯说，"我们还不知道振荡的确切原因"，但"这确实是一个潜在的混乱"，需要进一步研究。他补充说，"刺激较小的大脑区域或特定的细胞类型可能会避免这个问题。"
哥伦比亚大学的神经科学家Rafael Yuste说，这种特殊的细胞激活可以通过"使用具有单细胞分辨率的双光子光遗传学"来实现。Rafael Yuste没有参与这项工作。
冯说，除了找出振荡的来源和避免振荡的方法外，他的团队现在还在寻找进一步改善SOUL蛋白质的方法。他说，一种可能性是改变激活波长。
如果SOUL能被红光激活，Corder说，"他们可能会达到更深的深度。" （）
参考资料：
【1】Deep Brain Optogenetic Control Without Implant
【2】X. Gong et al.， "An ultra-sensitive step-function opsin for minimally invasive optogenetic stimulation in mice and macaques，" Neuron， doi：10.1016/j.neuron.2020.03.032， 2020.
【3】Optogenetic Manipulations Create Perception Without Sensory Input
【4】DBS with Nanoparticle-Based Optogenetics Modifies Behavior in Mice