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光遺傳學(xué)被 《Nature methods》評為 2010 年度生物技術(shù) 。光遺傳學(xué)技術(shù)是將光學(xué)和遺傳學(xué)技術(shù)相結(jié)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(jìn)行照射，通過刺激光敏感蛋白開啟或關(guān)閉特定細(xì)胞類群或特定神經(jīng)元的活動進(jìn)而調(diào)控其功能，從而控制動物行為 。本文就光遺傳學(xué)技術(shù)的基本方法及應(yīng)用，以及其在神經(jīng)－精神疾病動物模型中如何調(diào)控神經(jīng)回路作一綜述。
一、光遺傳學(xué)技術(shù)
近來，研究者一直致力于不同行為的神經(jīng)回路研究，探討其投射連接，觀察通過調(diào)控某一類神經(jīng)元活動后的相應(yīng)行為學(xué)表現(xiàn)。而電刺激和藥理學(xué)的方法可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，光遺傳學(xué)技術(shù)具有目的性強(qiáng)、低損傷性、高時空分辨率和遺傳特異性等特點(diǎn)，近年來在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的生物學(xué)機(jī)制的研究中得到了廣泛應(yīng)用。光遺傳學(xué)技術(shù)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(nèi)存在著一類可以感受不同波長光的刺激，并對該光學(xué)刺激產(chǎn)生一系列效應(yīng)的膜蛋白，即視蛋白。
目前， Ⅰ型視蛋白包括: 細(xì)菌視紫紅質(zhì) ( Bac-teriorhodopsin，BＲ) ，鹽視紫紅質(zhì) ( Halorhodopsin，HＲ) ，通道視紫紅質(zhì) ( Channelrhodopsin， ChＲ ) 。ChＲ 在萊茵衣藻 ( Chlammydomonas reinhardti) 中發(fā)現(xiàn)，為藍(lán)光激活的陽離子通道蛋白，作用為陽離子內(nèi)流，使細(xì)胞膜去極化。2005 年，ChＲ2 *應(yīng)用于光控制神經(jīng)元活動的實(shí)驗(yàn)中。型視蛋白 Opto XＲ，為視紫紅質(zhì) G 蛋白偶聯(lián)受體的嵌合體。是一種光敏感與 G 蛋白偶聯(lián)的膜受體，G 蛋白又稱鳥苷酸結(jié)合蛋白，與G蛋白偶聯(lián)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(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，還可調(diào)控如谷氨酸等神經(jīng)遞質(zhì)的信號傳遞功能。
2、光敏感蛋白的表達(dá)
光敏感蛋白，是光遺傳學(xué)的一種關(guān)鍵工具，在腦內(nèi)諸多神經(jīng)元中穩(wěn)定表達(dá)。隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出許多將光敏感基因運(yùn)載至細(xì)胞或神經(jīng)元，并有效表達(dá)成光敏感蛋白的病毒載體。如腺相關(guān)病毒 AVV、慢病毒、Cre － Loxp 重組酶系統(tǒng)和各種轉(zhuǎn)基因小鼠等。
3、光刺激和信號
光刺激系統(tǒng)有光列二極管 ( LED) 等。體外實(shí)驗(yàn)中，腦片電生理－全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)記錄神經(jīng)元放電信號，觀察其光電流特征; 在體實(shí)驗(yàn)中，在體立體定向注射病毒載體，經(jīng)過 10－14 天待其充分表達(dá)后，構(gòu)建光神經(jīng)界面，植入光纖并固定，行在體光刺激，細(xì)胞膜內(nèi)外離子差產(chǎn)生，膜電位發(fā)生變化記錄神經(jīng)元的放電情況 。與光調(diào)控相匹配的解讀體系包括電生理記錄，功能磁共振成像或定量的動物行為學(xué)分析等。
二、光遺傳學(xué)技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用
通過光遺傳學(xué)技術(shù)可將光敏感通道蛋白表達(dá)在特定的細(xì)胞，用于突觸可塑性、神經(jīng)系統(tǒng)的疾病治療、動物行為學(xué)、神經(jīng)回路研究等多方面
1、突觸可塑性的研究
樹突棘是大腦神經(jīng)元接受和傳遞信息的重要結(jié)構(gòu)，是形成突觸的關(guān)鍵部位，在突觸可塑性中發(fā)揮重要作用。90%以上的興奮性突觸存在于樹突棘頭部中，應(yīng)用光遺傳學(xué)技術(shù)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 通過對嚙齒類動物海馬區(qū)錐體細(xì)胞的上百個樹突棘進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)臨近的樹突棘在自發(fā)活動中會趨于同步化，使得輸入信號整合，成為動作電位輸出。
也有研究應(yīng)用光照激活星型膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)的ChＲ2 能促發(fā)谷氨酸遞質(zhì)釋放，可激活神經(jīng)元的
AMPA 受體 而 AMPA 受體與突觸可塑性有關(guān)。這些研究表明通過選擇性調(diào)節(jié)特異性神經(jīng)元或神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量，光遺傳學(xué)技術(shù)在突觸可塑性研究中有較大應(yīng)用前景。
2、神經(jīng)系疾病的治療研究
光遺傳學(xué)技術(shù)除了檢測大腦中癲癇發(fā)作的起始點(diǎn)外，還用于研究嚴(yán)重癲癇持續(xù)狀態(tài)的持續(xù)或中止。Sukhotinsky 等利用光遺傳學(xué)技術(shù)揭示了海馬興奮型神經(jīng)元在氯化鋰－匹羅卡品誘導(dǎo)大鼠急性癲癇中的作用。Alilain 等 利用光遺傳學(xué)技術(shù)將 ChＲ2 表達(dá)于膈肌運(yùn)動細(xì)胞群，光照刺激下，頸部脊髓損傷的動物可以恢復(fù)呼吸運(yùn)動。光遺傳學(xué)技術(shù)也為帕金森癥的神經(jīng)機(jī)制提供了新的見解和思路。
3、動物行為學(xué)和神經(jīng)回路研究
動物交際行為學(xué)測試中，通過光遺傳學(xué)技術(shù)可明確下丘腦泌素 / 進(jìn)食素在特定情境中扮演的角色。Huber 等利用光遺傳學(xué)技術(shù)將 ChＲ2 表達(dá)在小鼠初級感覺皮層－桶狀皮層神經(jīng)元中，利用藍(lán)光照射并結(jié)合獎勵進(jìn)行行為學(xué)訓(xùn)練的方式，藍(lán)光照射時，小鼠向左轉(zhuǎn)，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(guān)系，證實(shí)小鼠獎賞記憶行為準(zhǔn)確率與藍(lán)光照射有較強(qiáng)的相關(guān)性。神經(jīng)回路是神經(jīng)細(xì)胞、分子活動和腦整體活動的連接橋梁。運(yùn)用光遺傳學(xué)技術(shù)，在動物中實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)元和突觸的高時間分辨率、高精que度的光學(xué)調(diào)控，為動物行為學(xué)的神經(jīng)回路的研究提供較好的一個方法學(xué)技術(shù)。
下一篇我們將繼續(xù)研究探討光遺傳學(xué)技術(shù)在動物行為學(xué)中的應(yīng)用研究以及光遺傳學(xué)技術(shù)在動物行為學(xué)應(yīng)用中有良好前景②
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