MIT光遗传发明者团队:下一代单细胞光遗传技术即将问世

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年11月16日 来源:生物通

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  麻省理工学院和巴黎笛卡尔大学的研究人员开发出了一种新的遗传学技术,让光线可以作用于单个工程光敏神经元细胞,进一步改善了神经元的精确性,引领光遗传学发展。

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10多年前,MIT 媒体实验室和McGovern研究所的Edward Boyden和合作者首创,利用光敏蛋白“微生物视蛋白(microbial opsins)”操作神经元电活动。这些被嵌入神经元细胞膜的视蛋白,在特定光波照射下可沉默或激活细胞。在过去的十几年里,科学家们已经利用这种方法进行了很多大脑活动研究。

但是光遗传技术在时间和空间上都很难做到精确控制单个细胞。由于进入大脑的光线照射面积相对较大,传统方法同时会靶向许多细胞。Boyden指出,即使靠得很近的神经元也可能具有不同功能。“相邻的两个细胞可以有完全不同的神经代码使它们做不同的事,对不同刺激作出反应,并在不同任务中扮演不同活动模式,”他说。

这项全新的单细胞技术为细胞和细胞联系研究铺平了道路。

它依赖于一种新的光敏蛋白和全息光成形技术。新光敏蛋白可嵌入神经元胞体内,全息技术使光线聚焦于单细胞上。11月13日出版的《Nature Neuroscience》发表了这项新技术。

为了实现单细胞控制,研究人员借助了两个新工具:定点更准的视蛋白和优化的全息光成形显微镜。

Boyden实验室在2014年就发现了一种名为CoChR的视蛋白,这种蛋白比第一代光遗传学使用的光敏通道蛋白-2(channelrhodopsin-2)的光反应强10倍。因为激活一个神经元的光也会击打到其他临近神经元的轴突和树突,因此,将指导视蛋白进入神经元远离轴突和树突的细胞体的一种小蛋白与CoChR融合,可以避免这种神经元之间的窜扰。

随后,Boyden和法国国家科学研究中心以及巴黎笛卡尔大学的Valentina Emiliani教授合作,将这种视蛋白与Emiliani团队开发的双光子计算机生成全息术(two-photon computer-generated holography,CGH)结合,来制造包围靶细胞的三维立体光雕像。

传统的全息摄像是在没有参照物实体的情况下,用光再造特定物体形状。而这种改进版通过创造一个包含了被参考光束点亮了的物体重建所需信息的“干涉图”,CGH可以用来聚焦激光以精确地描述细胞或定义一组脑细胞。

新研究不仅实现了空间上精准地刺激单个神经元,而且刺激时间也更好控制,即使对同一细胞进行多次刺激,每次刺激的时间变化幅度也不超过1毫秒。

使用这种技术,研究人员能刺激脑切片中的某个神经元,然后测量与其相连的细胞的反应。据Boyden说,还有一种可行实验,刺激彼此相邻的几个神经元,判断其中某一个神经元是主导控制者或者这几个神经元都在接收来自远端控制者发出的输入信号,这可以帮助人们解决感觉、运动或决定是如何发生的。

研究人员下一步计划是将这种方法推广到活体动物身上。

原文检索:
Temporally precise single-cell-resolution optogenetics  Nature Neuroscience (2017)
doi:10.1038/s41593-017-0018-8
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