通过光遗传学技术无需植入物即可精确控制大脑深部神经元

现在,通过光遗传学无需手术即可控制活脑组织内前所未有的深度神经回路。卡尔·戴瑟罗(Karl Deisseroth)第一次使用光控制脑细胞时,人们提出了很多问题,尤其是三个问题。该技术可用于活体动物吗?它可以针对不同的细胞类型吗?它可以在不将光源植入大脑的情况下工作吗?

自从2004年进行首次突破性实验以来,多年来,Deisseroth的团队和其他人找到了前两个问题的答案:12。本月,他们用另一个肯定的答案回答了第三个问题,成功引入了该技术的无植入版本。这是第一个证明光遗传学的技术,它结合了光和基因​​工程来控制脑细胞,无需手术即可准确地打开和关闭细胞。

斯坦福大学的神经科学家和生物工程师Deisseroth说:我们花了好几年的时间来弄清如何使其发挥作用。” 该结果在本月的自然生物技术杂志进行了描述。

通过光遗传学技术无需植入物即可精确控制大脑深部神经元
一种新的非侵入性技术以毫秒为单位打开了这些脑细胞

光遗传学涉及对动物大脑进行基因工程改造,以在神经元膜中表达光敏感蛋白(称为视蛋白)。视蛋白对光脉冲的反应可以诱导神经元“发射”或抑制其发射能力。光遗传学已被用于绘制大脑路径图,识别复杂行为的调控方式,在小鼠中产生假记忆。除其他技术外,它还被用于开发光遗传学起搏器

大多数时候,要使大脑内部的光脉冲控制细胞,就需要使用侵入性植入物:从束缚的光纤无线植入物,再到有弹性的脊柱植入物

4月,麻省理工学院的Guoping Feng及其同事与Deisseroth一起, 展示了一种微创光遗传学系统,该系统需要在颅骨上钻一个小洞,然后 能够使用蓝光控制表达至视神经的神经元深达6毫米。这种方法使用了一种视蛋白,可以逐步激活神经元。 

在最近的研究中,  Deisseroth及其同事试图在无需手术的情况下实现深度和快速光遗传学。斯坦福大学团队在小鼠脑细胞 称为ChRmine一个强大的新视蛋白, 发现由戴瑟罗特的研究小组去年在海洋生物。然后,它们在颅骨外发出红光,并能够激活深达7毫米深度的中脑和脑干中的神经回路。借助这项技术,科学家可以毫秒级的精度打开和关闭大脑电路。Deisseroth说:“它确实运行良好,远远超出了我们预期范围。” 获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

然后,团队测试了该系统的有效性。在一种情况下,他们使用光来快速而准确地停止癫痫小鼠的癫痫发作,而在另一种情况下,它们会打开产生5-羟色胺的神经元来促进小鼠的社交行为。

大多数光遗传学技术涉及将具有选择的视蛋白基因的病毒直接用针注射到大脑中。为了避免这种情况,斯坦福大学的研究小组使用了CalTech开发的一种PHP病毒,可以将其注入血液中。然后,病毒穿过血脑屏障,将视蛋白基因的有效载荷传递到脑细胞。在这种情况下,即使基因的传递也是无创的-没有针刺入大脑。

Deisseroth的团队现在正在测试鱼类中的非侵入性技术,并与他人合作将其应用于非人类的灵长类动物。他们还与西雅图的艾伦研究所Allen Institute)合作,开发在细胞中以ChRmine繁殖的小鼠系。“我们希望这些将成为广泛可用且适用的研究工具” 。

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