光遗传学揭示大脑回路新见解

德国马克斯普朗克生物控制论研究所的科学家，与Ernst Strüngmann研究所和英国纽卡斯尔大学的研究人员一起，使用光遗传学方法，首次从功能上证明了猴子视觉系统中一个迄今知之甚少的神经连接。相关研究结果发表在最近的《Neuron》杂志。

　　

生物通报道：迄今为止，科学家们对于“大脑中各个回路是如何在高度分支的网络中运转的”，一直都不甚了解。定位这些网络是一个复杂的过程，需要精确的测量方法。现在，德国马克斯普朗克生物控制论研究所的科学家，与Ernst Strüngmann研究所和英国纽卡斯尔大学的研究人员一起，使用光遗传学方法，首次从功能上证明了猴子视觉系统中一个迄今知之甚少的神经连接。为此，研究人员对单个神经元进行了转基因改造，使它们对光刺激变得敏感。相关研究结果发表在最近的《Neuron》杂志。

几十年来，微刺激是激活神经元的首选方法，该方法被证明是可靠和准确的。这就是为什么它在医学上也被用于深部脑刺激的原因。该研究小组的科学家现在表明，光遗传学——一种还处于起步阶段的生物技术，可提供类似的结果。

有了光遗传学，我们就可以直接用光来影响神经元的活动。为此，研究人员借助于病毒对单个神经元进行了遗传改造，以在它们的细胞膜中表达光敏的离子通道。通过蓝色光脉冲直接传递到大脑，修改后的神经元可以被系统地激活。

使用这种方法，研究人员研究了猕猴的视觉系统。马克斯普朗克生物控制论研究所认知过程生理学系主任Nikos Logothetis解释说：“这种非人类的灵长类动物的大脑，非常类似于人类的大脑。其大脑皮层以同样的方式组织，因此对我们的大脑研究至关重要。”此外，该灵长类动物也是唯一有所谓的konio细胞和高度复杂视觉处理系统的动物。

到达眼睛的信号是通过外侧膝状体核(LGN)转发到视觉皮质的。在人类和猴子中，LGN包含六层，并含有magno、parvo-和konio细胞。Magno细胞处理包含对比和运动信息的信号，而parvo细胞对于感知颜色非常重要。很少有人了解konio细胞的功能，由于它们在膝状核内的位置，使它们难以研究。借助于光遗传学刺激，研究人员现在可以证明，konio细胞与初级视觉皮层有关联。

马克斯普朗克生物控制论研究所的Carsten Klein解释说：“我们选择研究视觉系统中的这个回路，是因为它代表了一种定义的、高度结构化的系统，因为细胞类型之间有着清晰的分离。”除了对视觉系统的结构提供见解之外，该研究还提供了方法论见解，可能与深部脑刺激的光遗传学的医学应用有关联。

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光遗传学的优点——关闭单个神经元
神经元功能的光遗传学调控，至少在理论上比微刺激更具有细胞特异性，也有一个好处，那就是可以被激活或灭活。如果一个细胞群被从一个回路去除，它所发挥的作用就可以被识别。因此，不是一个激活蛋白，而是一个抑制蛋白质被运输到神经元。如果它被光脉冲刺激，它就能抑制细胞的活性。

通过光遗传学，单个细胞之间的合作也可以被更精确地研究。来自纽卡斯尔大学的Michael Schmid承认光遗传学的潜力：“这种方法对我们来说是非常有趣的。如果它被进一步细化,我们就可能影像和定位大脑中更复杂的回路和其他各个组件。”

光遗传学这个新兴的研究领域，正快速发展。今年2月份，英国牛津大学的一组研究人员，首次在哺乳动物中引起了联想记忆的外部解码。研究人员在《Nature Neuroscience》杂志上发表的研究中，描述了他们是如何在测试小鼠中引起联想记忆形成，以及他们用来记录它的技术，使记忆被删除。用光遗传学修改小鼠的记忆

最近，美国塔夫斯大学的生物学家，利用一种蛙模型首次证明，他们能够用光来控制细胞间的电子信号，从而防止肿瘤的形成和并使肿瘤正常化。相关研究结果发表在2016年3月16日的《Oncotarget》杂志。光遗传学首次用于控制肿瘤发生

MIT的神经科学家在3月16日的《自然》（Nature）杂志上报告称，处于阿尔茨海默氏症早期的小鼠能够像正常小鼠那样形成新记忆，但在数天后便无法记起它们。此外，研究人员能够利用光遗传学（optogenetics）人为地刺激这些记忆，表明只需一点帮助仍然可以找回这些记忆。诺奖得主Nature光遗传学重大成果：找回“丢失”的记忆

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Cell-Targeted Optogenetics and Electrical Microstimulation Reveal the Primate Koniocellular Projection to Supra-granular Visual Cortex
Summary: Electrical microstimulation and more recently optogenetics are widely used to map large-scale brain circuits. However, the neuronal specificity achieved with both methods is not well understood. Here we compare cell-targeted optogenetics and electrical microstimulation in the macaque monkey brain to functionally map the koniocellular lateral geniculate nucleus (LGN) projection to primary visual cortex (V1). Selective activation of the LGN konio neurons with CamK-specific optogenetics caused selective electrical current inflow in the supra-granular layers of V1. Electrical microstimulation targeted at LGN konio layers revealed the same supra-granular V1 activation pattern as the one elicited by optogenetics. Taken together, these findings establish a selective koniocellular LGN influence on V1 supra-granular layers, and they indicate comparable capacities of both stimulation methods to isolate thalamo-cortical circuits in the primate brain.