光能控制語言和行為

光，可以是冬日的暖陽，夜空的星月，蟄伏的螢蟲，令人期盼的萬家燈火……光也可以作為一種工具，控制行為，控制語言！這在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到證實，美國德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心研究團隊成功以光控植入記憶的方式教導(dǎo)鳥類唱歌。
 
研究團隊對幼年雄性斑胸草雀進行實驗，斑胸草雀通常通過模仿父親的歌聲來學(xué)習(xí)唱歌，而這些斑胸草雀從未接觸過會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，鳥兒就會發(fā)出短音節(jié)的歌聲，使用長脈沖光時，鳥兒發(fā)出了長音節(jié)的歌聲。
   
神奇的光遺傳學(xué)

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)入到特定類型的細胞中進行特殊離子通道或GPCR的表達。光感離子通道在不同波長的光刺激下會對離子的通過產(chǎn)生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發(fā)生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。
 
光遺傳讓生命科學(xué)更具想象力

• 調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)

光遺傳技術(shù)具有獨特的高時空分辨率和細胞類型特異性兩大特點，克服了傳統(tǒng)手段（激動劑，抑制劑，電刺激等）的許多缺點，能對神經(jīng)元進行非侵入式的精準(zhǔn)定位調(diào)控。
 
基于其顯著的優(yōu)勢，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)典實驗動物(果蠅、線蟲、斑馬魚、小鼠、大鼠、絨猴以及食蟹猴等)，研究內(nèi)容涉及神經(jīng)科學(xué)多個方面，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、運動障礙、睡眠障礙、各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型等應(yīng)用。
   

• 對一些疾病能產(chǎn)生治療作用

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。研究人員通過對小鼠進行光遺傳學(xué)改造，使其在儲存記憶和重新獲取記憶的時候發(fā)射不同顏色的熒光。研究人員對改造的野生型小鼠與阿茲海默癥小鼠進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。研究者們利用藍光刺激小鼠的大腦，激活小鼠對氣味及電擊的記憶，當(dāng)小鼠再次聞到上述氣味的時候出現(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教授實驗室合作開發(fā)了一項新的技術(shù)，光控“閘門” 調(diào)控興奮型胞鈣離子的進出（optoRGK），繼而調(diào)控細胞的生理活動，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通道被公認為是干預(yù)治療和生理調(diào)節(jié)的重要靶點，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，并且長期服用化學(xué)藥物對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通道的負調(diào)控蛋白（RGK GTPase），同時引入光敏感蛋白，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，對于疾病治療顯示了極大的潛力。
   

• 促進微創(chuàng)及無創(chuàng)技術(shù)發(fā)展

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類神經(jīng)元活動的微創(chuàng)光遺傳學(xué)技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)了一種對光線極為敏感的新蛋白SOUL，并對神經(jīng)元細胞進行基因編輯，使之能夠產(chǎn)生這種蛋白，隨后他們在光纖不植入腦區(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)，在靈長類動物模型中也證明了光可以穿過恒河猴厚實的硬腦膜，到達大腦的表層區(qū)域。
   
無線光遺傳學(xué)為動物的遠程刺激和抑制提供了有效方法，這在神經(jīng)科學(xué)研究中，具有很大應(yīng)用前景，為大腦以外神經(jīng)組織的研究提供更好的思路。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個月實驗，也顯示出良好的生物相容性。在清醒活動的小鼠中，同樣的裝置刺激遠端脊髓有效地抑制了動物的運動。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。
  RWD集成化光遺傳系統(tǒng)

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。  
這世界上有很多光，也許渺小但力量無窮。在生命科學(xué)的探索之路上，愿瑞沃德為你點亮光遺傳學(xué)這束光，為你的科研保駕護航。 
 
 
參考文獻
 
Wenchan Zhao et al. Inception of memories that guide vocal learning in the songbird .Science (2019) 
Jennifer N et al. Optogenetic stimulation of dentate gyrus engrams restores memory in Alzheimer's disease mice. Hippocampus (2017)
Guolin Ma et al.Optogenetic Control of Voltage-Gated Calcium Channels. Angewandte Chemie International Edition (2017)
X. Gong et al. An ultra-sensitive step-function opsin for minimally invasive optogenetic stimulation in mice and macaques. Neuron (2020)
Ying Wang et al. Flexible and Fully Implantable Upconversion Device for Wireless Optogenetic Stimulation of the Spinal Cord in Behaving Animals. Nanoscale (2020)