2020年5月26日訊 /生物谷BIOON /——根據(jù)近日Neuron雜志上的一篇報(bào)道，科學(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造出一種對(duì)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(duì)外部光刺激做出反應(yīng),。在老鼠和獼猴身上的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究,。他繼續(xù)說,，"在那樣的深度，基本上,，嚙齒動(dòng)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(dòng)物研究中心的神經(jīng)疾病專家Adriana Galvan補(bǔ)充道："這一進(jìn)展將有助于擴(kuò)大光遺傳學(xué)在非人類靈長類動(dòng)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,。
圖片來源：GUOPING FENG
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(diǎn)，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(dòng)物大腦深處產(chǎn)生視蛋白的神經(jīng)元,，研究人員以前會(huì)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(duì)光更敏感，或者使它們對(duì)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(duì)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(duì)開發(fā)他們的新型視蛋白時(shí)，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(diǎn)意外"。
彼時(shí),，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(jì)成響應(yīng)一個(gè)波長而開啟，并一直保持到被另一個(gè)波長關(guān)閉。但是SFO不是很敏感,，馮解釋說,，所以他的團(tuán)隊(duì)決定引入一種突變，這種突變?cè)诹硪环N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(dòng)物處于任何強(qiáng)光源下時(shí),，神經(jīng)元開始放電……我們簡直不敢相信,。"這個(gè)團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到了視蛋白的價(jià)值。
作者說,，盡管這個(gè)通道很敏感,，正常的環(huán)境光不會(huì)引起動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生它的外來細(xì)胞放電。然而,，這些動(dòng)物應(yīng)該避免強(qiáng)光照射,。
在老鼠身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(shí),，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(shí)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(gè)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(dòng)物大腦研究的一個(gè)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(xiàng)研究。然而,，他注意到一些關(guān)于靈長動(dòng)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(shí)是一個(gè)潛在的混亂"，需要進(jìn)一步研究,。他補(bǔ)充說,，"刺激較小的大腦區(qū)域或特定的細(xì)胞類型可能會(huì)避免這個(gè)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(shí)現(xiàn),。Rafael Yuste沒有參與這項(xiàng)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(duì)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(huì)達(dá)到更深的深度,。" （生物谷Bioon.com）
參考資料：
【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（潤寶醫(yī)療網(wǎng)）
"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(xiàng)研究,。他繼續(xù)說,，"在那樣的深度，基本上,，嚙齒動(dòng)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(dòng)物研究中心的神經(jīng)疾病專家Adriana Galvan補(bǔ)充道："這一進(jìn)展將有助于擴(kuò)大光遺傳學(xué)在非人類靈長類動(dòng)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,。
圖片來源：GUOPING FENG
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(diǎn)，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(dòng)物大腦深處產(chǎn)生視蛋白的神經(jīng)元,，研究人員以前會(huì)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(duì)光更敏感，或者使它們對(duì)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(duì)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(duì)開發(fā)他們的新型視蛋白時(shí)，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(diǎn)意外"。
彼時(shí),，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(jì)成響應(yīng)一個(gè)波長而開啟，并一直保持到被另一個(gè)波長關(guān)閉。但是SFO不是很敏感,，馮解釋說,，所以他的團(tuán)隊(duì)決定引入一種突變，這種突變?cè)诹硪环N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(dòng)物處于任何強(qiáng)光源下時(shí),，神經(jīng)元開始放電……我們簡直不敢相信,。"這個(gè)團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到了視蛋白的價(jià)值。
作者說,，盡管這個(gè)通道很敏感,，正常的環(huán)境光不會(huì)引起動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生它的外來細(xì)胞放電。然而,，這些動(dòng)物應(yīng)該避免強(qiáng)光照射,。
在老鼠身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(shí),，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(shí)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(gè)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(dòng)物大腦研究的一個(gè)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(xiàng)研究。然而,，他注意到一些關(guān)于靈長動(dòng)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(shí)是一個(gè)潛在的混亂"，需要進(jìn)一步研究,。他補(bǔ)充說,，"刺激較小的大腦區(qū)域或特定的細(xì)胞類型可能會(huì)避免這個(gè)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(shí)現(xiàn),。Rafael Yuste沒有參與這項(xiàng)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(duì)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(huì)達(dá)到更深的深度,。" （生物谷Bioon.com）
參考資料：
【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（潤寶醫(yī)療網(wǎng)）
