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深度分析光遺傳學技術在動物行為學神經回路中的研究方向①
點擊次數:493 發布時間:2020-09-14

光遺傳學被 《Nature methods》評為 2010 年度生物技術 。光遺傳學技術是將光學和遺傳學技術相結合,利用病毒載體,將微生物視蛋白基因引入到載體動物的腦組織,采用不同波長和頻率的光進行照射,通過刺激光敏感蛋白開啟或關閉特定細胞類群或特定神經元的活動進而調控其功能,從而控製動物行為 。本文就光遺傳學技術的基本方法及應用,以及其在神經-精神疾病動物模型中如何調控神經回路作一綜述。

一、光遺傳學技術

近來,研究者一直致力於不同行為的神經回路研究,探討其投射連接,觀察通過調控某一類神經元活動後的相應行為學表現。而電刺激和藥理學的方法可能導致實驗結果不準確,光遺傳學技術具有目的性強、低損傷性、高時空分辨率和遺傳特異性等特點,近年來在神經科學領域的生物學機製的研究中得到了廣泛應用。光遺傳學技術可包括下述幾部分,對此作簡單介紹。

1、光敏感蛋白

生物體內存在著一類可以感受不同波長光的刺激,並對該光學刺激產生一係列效應的膜蛋白,即視蛋白。

目前, 型視蛋白包括: 細菌視紫紅質 ( Bac-teriorhodopsin,BR) ,鹽視紫紅質 ( Halorhodopsin,HR) ,通道視紫紅質 ( Channelrhodopsin, ChR ) 。ChR 在萊茵衣藻 ( Chlammydomonas reinhardti) 中發現,為藍光激活的陽離子通道蛋白,作用為陽離子內流,使細胞膜去極化。2005 年,ChR2 *應用於光控製神經元活動的實驗中。型視蛋白 Opto XR,為視紫紅質 G 蛋白偶聯受體的嵌合體。是一種光敏感與 G 蛋白偶聯的膜受體,G 蛋白又稱鳥苷酸結合蛋白,與G蛋白偶聯的膜受體有很多種,如M膽堿能受體、多巴胺能受體等,可參與細胞內信號轉導,還可調控如穀氨酸等神經遞質的信號傳遞功能。

2、光敏感蛋白的表達

光敏感蛋白,是光遺傳學的一種關鍵工具,在腦內諸多神經元中穩定表達。隨著生物工程技術的發展,現在已經研發出許多將光敏感基因運載至細胞或神經元,並有效表達成光敏感蛋白的病毒載體。如腺相關病毒 AVV、慢病毒、Cre - Loxp 重組酶係統和各種轉基因小鼠等。

3、光刺激和信號  

光刺激係統有光列二極管 ( LED) 等。體外實驗中,腦片電生理-全細胞膜片鉗技術記錄神經元放電信號,觀察其光電流特征; 在體實驗中,在體立體定向注射病毒載體,經過 10-14 天待其充分表達後,構建光神經界麵,植入光纖並固定,行在體光刺激,細胞膜內外離子差產生,膜電位發生變化記錄神經元的放電情況 。與光調控相匹配的解讀體係包括電生理記錄,功能磁共振成像或定量的動物行為學分析等。

二、光遺傳學技術在神經科學研究中的應用

通過光遺傳學技術可將光敏感通道蛋白表達在特定的細胞,用於突觸可塑性、神經係統的疾病治療、動物行為學、神經回路研究等多方麵

1、突觸可塑性的研究

樹突棘是大腦神經元接受和傳遞信息的重要結構,是形成突觸的關鍵部位,在突觸可塑性中發揮重要作用。90%以上的興奮性突觸存在於樹突棘頭部中,應用光遺傳學技術可以同時檢測多個樹突棘的信號,突破了停 留在單個突觸水平的研究。Ta-kahashi 等 通過對齧齒類動物海馬區錐體細胞的上百個樹突棘進行研究,發現臨近的樹突棘在自發活動中會趨於同步化,使得輸入信號整合,成為動作電位輸出。

也有研究應用光照激活星型膠質細胞上表達的ChR2 能促發穀氨酸遞質釋放,可激活神經元的

AMPA 受體 而 AMPA 受體與突觸可塑性有關。這些研究表明通過選擇性調節特異性神經元或神經細胞數量,光遺傳學技術在突觸可塑性研究中有較大應用前景。

2、神經係疾病的治療研究

光遺傳學技術除了檢測大腦中癲癇發作的起始點外,還用於研究嚴重癲癇持續狀態的持續或中止。Sukhotinsky 等利用光遺傳學技術揭示了海馬興奮型神經元在氯化鋰-匹羅卡品誘導大鼠急性癲癇中的作用。Alilain 等 利用光遺傳學技術將 ChR2 表達於膈肌運動細胞群,光照刺激下,頸部脊髓損傷的動物可以恢複呼吸運動。光遺傳學技術也為帕金森症的神經機製提供了新的見解和思路。

3、動物行為學和神經回路研究

動物交際行為學測試中,通過光遺傳學技術可明確下丘腦泌素 / 進食素在特定情境中扮演的角色。Huber 等利用光遺傳學技術將 ChR2 表達在小鼠初級感覺皮層-桶狀皮層神經元中,利用藍光照射並結合獎勵進行行為學訓練的方式,藍光照射時,小鼠向左轉,給予水喝,作為正確識別的獎勵,研究小鼠行為與光照之間的關係,證實小鼠獎賞記憶行為準確率與藍光照射有較強的相關性。神經回路是神經細胞、分子活動和腦整體活動的連接橋梁。運用光遺傳學技術,在動物中實現了對神經元和突觸的高時間分辨率、高精que度的光學調控,為動物行為學的神經回路的研究提供較好的一個方法學技術。

 

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