封面头条:光遗传学技术的诞生

【字体: 时间:2011年07月06日 来源:生物通

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  2010年著名的方法学期刊:《Nature Methods》评选出的年度技术是一项我们不太熟悉的技术:光遗传学(optogenetics)技术,这项技术能帮助科学家们分析研究几乎所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等,开辟了一个新的让人激动的研究领域,因此吸引了许多科学家们投身于这一领域。近期《The Scientist》就以“The Birth of Optogenetics”为题,描述了这种可以通过光来调控大脑环路的技术方法。

  

生物通报道:2010年著名的方法学期刊:《Nature Methods》评选出的年度技术是一项我们不太熟悉的技术:光遗传学(optogenetics)技术,这项技术能帮助科学家们分析研究几乎所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等,开辟了一个新的让人激动的研究领域,因此吸引了许多科学家们投身于这一领域。近期《The Scientist》就以“The Birth of Optogenetics”为题,描述了这种可以通过光来调控大脑环路的技术方法。

文章由光遗传学技术先驱,麻省理工的Edward S. Boyden教授撰写,Boyden教授专门创办了一个实验室,致力于研发和推广更强有效的光遗传工具。他认为光与药物和电极不同,它可以“关闭”神经元,或者说“关闭整个神经回路”,而这正是医生在治疗大脑遭受过度刺激的癫痫症患者时想要做的。这篇文章讲述了他的光遗传学技术研究道路,描述了这一技术是如何诞生,如何发展的。

光遗传学的诞生

光遗传学是由斯坦福大学的研究人员开始用于研究小鼠大脑的,他们将这项技术称之为Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遗传学),这个技术的关键是:科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因,这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应,还能通过自生特性感染类似的细胞。

2009年,研究人员就利用这种光控技术选择并打开了某种生物的一类细胞。这也帮助科学家解答一个长期存在的难题,即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。他们在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关,结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。

使用这些光遗传学(optogenetic)工具,能够激活清醒哺乳动物的单一神经元,并直接演示神经元激活表现出的行为结果。这一光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。这种新技术可以推广到所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域,可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。

在光遗传学试验中,研究人员能够在感兴趣的能调控电信号的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道(light-gated ion channels),比如视紫红质通道蛋白2(channelrhodopsin-2,ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin)一类的视蛋白都已经成为了神经生物学实验室中的常用蛋白。科学家可以分别利用蓝光和红光来激活(去极化)或抑制(超极化)一系列的经过遗传改造的神经元细胞。但是和其它任何一种生物研究工具一样,这些视蛋白也不是十全十美,因此科学家又开始寻找新一代的光遗传学工具。

技术新发展

近期光遗传学技术也发展了一些新工具,研究人员希望能够通过这些新方法研究神经元细胞相互之间是如何形成功能的,以及通过控制着神经元细胞内部或者之间电信号的开关,达到神经修复的作用。

比如今年哈佛大学的一个研究组制作了一个可以操控线虫的计算机系统——通过激光刺激培养皿中自由游动的线虫的单个神经元,可以让它们开始或停止游动,给它们被抚摸的感觉,甚至可以促使它们产卵。

具体而言就是通过瞄准精度高达30微米的激光束,来激活或抑制单个神经细胞的活动,他们将显微镜放在一个专门定做的试验台上,来跟踪线虫在培养皿里的活动,同时还编写了一个程序,通过分析显微镜中的图像来锁定目标神经细胞的位置,然后瞄准细胞,发射激光束。

除此之外,还有其他研究小组已经用光遗传学技术控制过固定不动的线虫的单个神经元。斯坦福大学的研究人员就通过光遗传学技术对精心挑选的神经元的电活动进行控制。

到目前为止,要刺激特定的神经元,通常只能依靠电脉冲这种不精确和难以控制的技术。而光遗传学技术则可让研究人员使用一种新的光控方法高度精确地对神经元进行刺激,同时还能按照意愿控制神经元的开合。

斯坦福大学的研究人员先将这些小鼠神经元改造得对光非常敏感,然后通过植入的光纤,用蓝色光照亮位于大脑杏仁核区域的一个特定神经回路。杏仁核是大脑中应对恐惧、侵略等基本情绪的核心部位,也是啮齿类动物控制焦虑的部分。结果显示,这些本来因恐惧而退缩到角落的小鼠开始勇敢地探索周围的环境。

这说明未来也许可以通过调控神经元,来治疗包括焦虑症和帕金森氏症在内的一系列神经紊乱疾病。

与其它技术联用

光学遗传学在研究上的重要性与日俱增,尤其是当它与其他技术结合使用时。近年来,神经科学因功能性磁共振造影(fMRI)而有长足进展,虽然一般认为这种扫描技术能侦测各种刺激下神经线路的活动,但严格说来,fMRI只能显示脑部不同区域血氧浓度的改变,而这些改变不过是神经活性的一个指标。

来自斯坦福大学,光遗传技术的发明者Karl Deisseroth的研究组在2010年结合光学遗传学和fMRI,验证了局部刺激神经元活化足以诱发在fMRI侦测到的複杂讯号,研究人员还能准确并完整记录到执行功能的神经线路,这是过去使用电极或药物办不到的。这说明通过光学遗传学,可以检测并促进神经科学和精神病学丰富文献中的研究。

临床应用

当然现在说用于人体实验还为时尚早,但是已经有一些研究成果已经开始逐渐走向临床应用。

比如,斯坦福大学神经病专家Amit Etkin正在努力促进有关啮齿类动物焦虑症研究成果的转化,以利用现有工具改善人类相关疾病的治疗。他采用的是经颅磁刺激技术,希望能够像激活小鼠大脑杏仁核区域的神经回路从而减轻它们的焦虑症状那样来激活人脑中类似的回路。虽然这种技术不如光遗传学技术有针对性,但却具有非侵入性的优点。

另外神经科学研究员Krishna V. Shenoy正在灵长类动物身上开展光遗传学研究。在最近的一次实验中,他带领的研究小组用病毒作为载体将视蛋白插入了恒河猴的大脑,从而能够借助光来控制选定的神经元,而植入光纤和病毒都没有对这些恒河猴造成不良影响。

Shenoy表示,光遗传学技术在开发新设备用以治疗创伤性脑损伤和神经修复方面将大有潜力。美国国防部高级研究计划局最近便宣布了一项旨在运用光遗传技术帮助伤残老兵的计划,Shenoy也是该项目组研究成员之一。“当前的系统可以让假肢触及杯子,但由于缺乏人造触觉,假肢很难将杯子拿起而不掉落在地上或者捏碎杯子。”他说,“利用光遗传学技术,通过位于假肢指尖的传感器将信息直接传递回大脑,原则上可以提供一种高保真的人造触觉。”

无论如何,光遗传学开辟了一个让人激动的新研究领域,一些研究人员已经开始设想,如果能够克服生物医学的挑战,确保新基因安全地递送到人体内,基于光遗传学的治疗方法将直接应用于人类。

(生物通:万纹)

原文摘要:

The Birth of Optogenetics
An account of the path to realizing tools for controlling brain circuits with light

By Edward S. Boyden | July 1, 2011

For a few years now, I’ve taught a course at MIT called “Principles of Neuroengineering.” The idea of the class is to get students thinking about how to create neurotechnology innovations—new inventions that can solve outstanding scientific questions or address unmet clinical needs. Designing neurotechnologies is difficult because of the complex properties of the brain: its inaccessibility, heterogeneity, fragility, anatomical richness, and high speed of operation. To illustrate the process, I decided to write a case study about the birth and development of an innovation with which I have been intimately involved: optogenetics—a toolset of genetically encoded molecules that, when targeted to specific neurons in the brain, allow the activity of those neurons to be driven or silenced by light.

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