光，在我們生活中不可或缺，它帶來溫暖、照亮四周、給人希望。你是否想過，光可作為一種工具，控制行為，控制語言！聽起來很不可思議?在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域可不會(huì)那么驚訝，其中美國德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心研究團(tuán)隊(duì)成功以光控植入記憶的方式教導(dǎo)鳥類唱歌。

已有研究表明，鳥類大腦中HVC區(qū)域?qū)τ趯W(xué)習(xí)歌曲很重要，干擾它的活動(dòng)會(huì)影響鳥類學(xué)習(xí)歌曲的能力。這個(gè)區(qū)域接收來自 NIf區(qū)域的輸入，這個(gè)結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)元在音節(jié)的開頭和結(jié)尾處發(fā)出信號(hào)，表明這些神經(jīng)元在編碼音節(jié)長(zhǎng)度方面起著一定的作用。

斑胸草雀通常通過模仿父親的歌聲來學(xué)習(xí)唱歌。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)幼年雄性斑胸草雀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這些斑胸草雀從未接觸過會(huì)唱歌的成年斑胸草雀，成員通過光操控 Nlf 神經(jīng)元傳送訊息至 HVC 中，當(dāng)使用短脈沖光時(shí)，鳥兒就會(huì)發(fā)出短音節(jié)的歌聲，使用長(zhǎng)脈沖光時(shí)，鳥兒發(fā)出了長(zhǎng)音節(jié)的歌聲。

上述這種神奇的光控技術(shù)就是光遺傳學(xué)(optogenetics)。光遺傳學(xué)是一項(xiàng)整合了光學(xué)、遺傳學(xué)、電生理等多學(xué)科的生物工程技術(shù)。

其主要原理是采用基因操作技術(shù)將光感基因(如ChR2，NaHR3.0，Arch或OptoXR等)轉(zhuǎn)入到特定類型的細(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)的光刺激下會(huì)對(duì)離子的通過產(chǎn)生選擇性，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。

光遺傳技術(shù)具有獨(dú)特的高時(shí)空分辨率和細(xì)胞類型特異性兩大特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)手段（激動(dòng)劑，抑制劑，電刺激等）的許多缺點(diǎn)，能對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行非侵入式的精準(zhǔn)定位調(diào)控。

基于其顯著的優(yōu)勢(shì)，21世紀(jì)開始光遺傳學(xué)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，2019年應(yīng)用光遺傳學(xué)發(fā)表的文章超過1000篇，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋多種經(jīng)典實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(果蠅、線蟲、斑馬魚、小鼠、大鼠、絨猴以及食蟹猴等)，研究?jī)?nèi)容涉及神經(jīng)科學(xué)多個(gè)方面，包括神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)研究、學(xué)習(xí)記憶研究、精神障礙類研究、運(yùn)動(dòng)障礙、睡眠障礙、各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型等應(yīng)用。

除了調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)，光遺傳學(xué)對(duì)于疾病的治療作用也是領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。哥倫比亞大學(xué)研究者在2017年就已發(fā)表文章，稱通過光遺傳學(xué)的手段能夠恢復(fù)阿爾茨海默癥小鼠的記憶。

研究人員通過對(duì)小鼠進(jìn)行光遺傳學(xué)改造，使其在儲(chǔ)存記憶和重新獲取記憶的時(shí)候發(fā)射不同顏色的熒光。研究人員對(duì)改造的野生型小鼠與阿茲海默癥小鼠進(jìn)行相同氣味依賴的恐懼記憶訓(xùn)練。一周之后再次給這些小鼠檸檬氣味的刺激，結(jié)果顯示野生型小鼠能夠同時(shí)出現(xiàn)黃色與紅色的熒光，而且出現(xiàn)了恐懼的表現(xiàn)，而阿爾茨海默癥小鼠大腦發(fā)光的區(qū)域則明顯不同，相比較說明它們的大腦在記憶重新獲取的過程中發(fā)生了紊亂。

研究者們利用藍(lán)光刺激小鼠的大腦，激活小鼠對(duì)氣味及電擊的記憶，當(dāng)小鼠再次聞到上述氣味的時(shí)候出現(xiàn)了顫栗的表現(xiàn)，記憶得到恢復(fù)。

在疾病治療方面，北京師范大學(xué)生科院王友軍教授課題組與美國Texas A&M University 醫(yī)學(xué)院 Zhou Yubin教授實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了一項(xiàng)新的技術(shù)，光控“閘門” 調(diào)控興奮型胞鈣離子的進(jìn)出（optoRGK），繼而調(diào)控細(xì)胞的生理活動(dòng)，為心腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了新的治療策略。

CaV通道被公認(rèn)為是干預(yù)治療和生理調(diào)節(jié)的重要靶點(diǎn),靶向CaV通道的鈣離子抑制劑在臨床上已經(jīng)使用很多年，但是，目前使用的抑制劑普遍存在特異性差、抑制作用不可逆等缺陷，并且長(zhǎng)期服用化學(xué)藥物對(duì)病人帶來的毒副作用不容忽視。通過基因工程技術(shù)，改造CaV通道的負(fù)調(diào)控蛋白（RGK GTPase），同時(shí)引入光敏感蛋白，利用光照調(diào)控CaV通道的活性，即光照阻斷鈣離子的進(jìn)入，光源移去后，鈣離子順利流入。與傳統(tǒng)的鈣離子抑制劑相比，optoRGK 提供了精準(zhǔn)的靶向，利用光照來替代傳統(tǒng)藥物，對(duì)于疾病治療顯示了極大的潛力。

光遺傳學(xué)技術(shù)依賴于可透光的光纖等材料，這些材料需要植入動(dòng)物體內(nèi)，為減少有創(chuàng)手術(shù)帶來的傷害，微創(chuàng)無創(chuàng)技術(shù)逐步出現(xiàn)。

2020年4月29日發(fā)表于Neuron上的一篇文章表示開發(fā)出了一種無需植入便能控制小鼠和靈長(zhǎng)類神經(jīng)元活動(dòng)的微創(chuàng)光遺傳學(xué)技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)光線極為敏感的新蛋白SOUL，并對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，使之能夠產(chǎn)生這種蛋白，隨后他們?cè)诠饫w不植入腦區(qū)內(nèi)部的前提下成功讓光線穿過小鼠的頭骨并改變了全腦各區(qū)域的神經(jīng)元反應(yīng)，在靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型中也證明了光可以穿過恒河猴厚實(shí)的硬腦膜，到達(dá)大腦的表層區(qū)域。

不久前，一篇來自Nanoscale的文章表示開發(fā)了一種靈活的、可完全植入的光遺傳轉(zhuǎn)換裝置來刺激硬膜外脊髓。轉(zhuǎn)換裝置使用生物相容的熱塑性聚丙烯作為主干，與納米粒子(UCNPs)混合，形成一個(gè)靈活的光極器件，可以將近紅外(NIR)照射轉(zhuǎn)換為可見光，用于脊髓組織的光遺傳操作。

在該系統(tǒng)中，柔性的轉(zhuǎn)換裝置可以完全植入脊柱結(jié)構(gòu)中，即使經(jīng)過4個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，也顯示出良好的生物相容性。在清醒活動(dòng)的小鼠中，同樣的裝置刺激遠(yuǎn)端脊髓有效地抑制了動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)。這種靈活的轉(zhuǎn)換裝置為脊髓組織的無線神經(jīng)調(diào)制提供了新的可能性。

從有創(chuàng)到微創(chuàng)到無創(chuàng)，從調(diào)控到改善再到治療，光遺傳學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域炙手可熱的研究手段。

RWD集成化光遺傳系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，致力于為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域提供一站式光遺傳學(xué)研究解決方案。