光遺傳學課堂

1、光遺傳學,1,光遺傳學的研究歷史,2,光遺傳學的概念,3,光遺傳學的研究內容,4,光遺傳學的研究與進展,contents,記憶消除棒,在電影黑衣人中，特工處理完外星人出沒現場之,后都會掏出一個發(fā)光棒，讓圍觀群眾“往這兒看,然后強光一閃，圍觀者的短時記憶就被抹去，不再記,得見過奇怪外星生物的經歷,真的有這樣的技術，能夠用光來控制大腦嗎？簡短的,答案是，有。但是可能沒有電影里表現的那么簡單,光真的可控大腦嗎,電壓門控通道：電極刺激,缺點：電極太粗糙，插入腦內給予電刺激會影,響到插入處的許多神經元，而且電信號也很難,精確地中止神經元的興奮,化學門控通道：藥物刺激,缺點：藥物不夠專一，而且反應要比神經

2、活動,慢得多,1,光遺傳學的研究歷史,美國斯坦?？茖W家,Karl Deisseroth,光遺傳學,optogenetics,技術將光學技術與遺傳學技,術相結合，靈感來自視覺通,路，最初主要用于神經科學,研究,2,光遺傳學的概念,Nature Methods,雜志評選出的,2010,年度研究方法,光遺傳學,optogenetics,Nature Methods,雜志在十周年之際推出了紀念特刊,點評了在過去十年中對生物學研究影響最深的十大技,術，其中就包括光遺傳學技術,諾貝爾獎,1,光遺傳學工具,2,光遺傳學工具導入機體途徑,3,光傳導工具,4,常用的模式動物,3,光遺傳學的研究內容,3.1,光遺

3、傳學工具,作為控制蛋白，用來調制活組織中靶細胞的,專一活動,興奮,抑制,在光遺傳學試驗中，研究人員能夠在感興趣的能調控電信號的靶,細胞上表達來自視蛋白的光學門控離子通道,light,gatedionchannels,比如,視紫紅質通道蛋白,2,channelrhodopsin-2,ChR2,和,嗜鹽,菌紫質,halorhodopsin,NpHR,一類的視蛋白都已經成為了神,經生物學實驗室中的常用蛋白。科學家可以分別利用,藍光,和,紅光,來,激活（去極化,或,抑制（超極化,一系列的經過遺傳改造的神,經元細胞,ChR2,是一種受光脈沖控制的具有,7,次跨膜結構的非選擇性陽,離子通道蛋白，可以快速形

4、成光電流，使細胞發(fā)生去極化反,應,Channelrhodopsin (Kato et al., 2012,NpHR,是一種受光脈沖控制的具有,7,次跨膜結構的選擇性陰離子,通道蛋白，可以快速形成光電流，使細胞發(fā)生超極化反應,Halorhodopsin (Kouyama etal., 2010,但是這些視蛋白也不是十全十美，因此科學家又開始尋找新一代的,光遺傳學工具。研究人員注意到了這兩種新的質子泵,來自蘇打鹽紅菌,Halorubrumsodomense,古細菌）的,Arch,蛋白,來自油菜黑脛病真菌,Leptosphaeriamaculans,的,Mac,蛋白,這兩種分子相比傳統的視蛋白具有三

5、點明顯的優(yōu)勢,一是能形成更大的電流,二是能自我恢復,三是具有不同的顏色偏好性,Arch,蛋白對黃色光敏感,Mac,蛋白,對藍色光敏感,新發(fā)現蛋白中的,Mac,蛋白在藍光中能關閉神經元，在黃光中則,不能。在一種細胞中表達,Mac,蛋白而在另一細胞中表達對黃光敏,感的抑制蛋白，這樣就能利用不同顏色的光線來針對性地抑制相,鄰的神經元細胞了,1,基因重組技術,3.2,光遺傳學工具導入機體途徑,2,病毒載體,主要應用為慢病毒,離體實驗：直接使用過濾光或發(fā)光二極,管照射即可。（線蟲試驗、細胞試驗,體內實驗：體內實驗時主要使用激光,利用光導纖維，研究人員可以精確地將,光導入動物體內，甚至是腦的任何部位,來開

6、展研究。（動物,3.3,光傳導工具,光遺傳學技術目前研究中比較常用的模式,動物主要有秀麗隱桿線蟲、蠅、斑馬魚、小鼠,大鼠和靈長類動物,這些動物普遍具有發(fā)育和繁殖周期短、外,源基因整合較容易的特點，這樣有利于導入光,敏蛋白基因并根據表達的狀態(tài)進行篩選,3.4,模式動物,4,光遺傳學的研究與進展,利用光遺傳學技術，科學家們把光感蛋,白表達在小鼠的多巴胺能神經元上，然,后在小鼠執(zhí)行某項任務（比如走到籠子,的一端的平臺上）時給予光刺激使多巴,胺能神經元興奮，從而使小鼠產生愉悅,感。實驗表明經過訓練后的小鼠會一次,次地去主動完成任務從而獲得愉悅感的,獎勵,研究人員先將小鼠神經元改造得對光非,常敏感，然后

7、通過植入的光纖，用藍色,光照亮位于大腦杏仁核區(qū)域的一個特定,神經回路。杏仁核是大腦中應對恐懼,侵略等基本情緒的核心部位，也是嚙齒,類動物控制焦慮的部分。結果顯示，這,些本來因恐懼而退縮到角落的小鼠開始,勇敢地探索周圍的環(huán)境,戒癮，抗抑郁，抗焦慮,過去研究人員曾嘗試在癱瘓病人的神經元周圍植入電極，利用程序控制激活電極中,的電脈沖，從而使患者恢復喪失的運動功能。但通常這種行走僅能維持幾分鐘。這,是因為粗神經纖維比細神經纖維對電刺激更敏感，因此肌肉以錯誤的順序發(fā)生收縮,即先發(fā)生快抽搐粗肌纖維收縮，然后才發(fā)生慢抽搐細肌纖維收縮，從而導致抽筋及,快速的肌肉疲勞,Delp,實驗室制成了一種“光電極”，是由

8、極小的發(fā)光二極管組成，能將其放置在生,物工程動物坐骨神經周圍。發(fā)光二極管發(fā)射高強度的藍光深入穿透到神經元里，所,有的神經纖維均可接收到來自發(fā)光二極管短脈沖的充分刺激。研究人員發(fā)現光刺激,使肌纖維重新產生正常的放電，誘導發(fā)生了與自然條件下一致的肌肉收縮,周圍神經損傷、癱瘓,光刺激,20,分鐘后，肌肉還保持了三分之,一的最大應力，而電刺激僅在一小會后就,恢復了平臺期，電刺激在,4,分鐘內使得相,同的肌肉完全疲勞，,Llewellyn,說：“此,外，光刺激更易于啟動肌肉的收縮，且主,要是作用于慢抽搐肌纖維，而不是快抽搐,肌纖維,而電刺激則可相等地誘導兩種肌,肉類型。,2010,年,Bruegmann

9、,等的報道使利用光遺傳學技術開展心電生理,研究心律失常防治甚至模擬心臟再同步化,C,T,改善心功能成,為可能，使光遺傳學技術為起搏心臟提供了一種新手段，即光,起搏,optical,pacing,在近,4,年的時間里，光遺傳學技術在心電生理研究中的應用逐漸,增多,Abilez,等將表達了,Ch,2,的人胚胎干細胞誘導分化為心,肌細胞，分別用膜片鉗微電極陣列,MEA,及計算機建模等技術,探討藍光刺激對心肌細胞電活動的影響，發(fā)現在全細胞電壓鉗,制模式下，光照可引起迅速達到峰值并衰減至平臺期的光電流,ICh,2,電流大小與光照強度密切相關，而關閉光源電流消失,當給予頻率為,0.5,1.0,1.5,Hz,的藍光刺激,MEA,可記錄到與光照,頻率一致的心肌細胞場電位及相應的機械收縮,心律失常,將多種光敏感蛋白在整體心臟按需形成異質性地轉入，繼之,以多重光源更精確地調控心臟，將實現心臟多個腔室或多個部,位更具針對性的起搏模式，而具抑制特性的光敏感蛋白的精確,調控亦可能成為快速性心律失常的一種治療手段,安全低創(chuàng)或無,創(chuàng)穿透性及可控性強的光照設備或光導纖維的研發(fā)，將為低照,射劑量精準調控提供適宜的光起搏設備,將光遺傳學技術光起