光遗传学激活初级感觉神经元会诱导海鞘（Ciona）发生形态变化

《Developmental Biology》：Optogenetic activation of primary sensory neurons induces metamorphosis in Ciona

光遗传学系统在Ciona intestinalis中特异性激活PSN神经元可诱导表皮反向运动、间充质细胞外渗及尾退化等变态发育事件，总刺激时间约6分钟且支持间歇刺激，揭示了神经活动对变态发育的定量调控机制。

　　科学家们最近在研究一种名为*Ciona intestinalis*的海洋生物的发育过程，特别是其变态（metamorphosis）机制。这一过程是许多海洋生物发育中的关键事件，标志着从自由漂浮的幼虫阶段向成年形态的转变。在*Ciona*中，变态主要由一种称为“乳突”（papillae）的结构诱导，乳突由多种细胞组成，包括黏附细胞（collocytes, CCs）、初级感觉神经元（primary sensory neurons, PSNs）和轴柱细胞（axial columnar cells, ACCs）。尽管乳突在变态中起着至关重要的作用，但研究人员一直试图确定是否仅靠PSNs的活动就足以触发整个变态过程。在这一研究中，科学家们开发了一种光遗传学（optogenetic）系统，通过特定波长的光刺激来激活PSNs，并观察其对变态的诱导效果。

光遗传学是一种利用光来控制神经元活动的技术，通常通过在神经元中表达光敏感蛋白，如光激活通道蛋白（channelrhodopsin, ChR），使得神经元在光照下产生电信号。在本研究中，科学家们选择了ChrimsonR，这是一种红光敏感的ChR变体，能够更有效地在红光刺激下激活神经元。为了同时监测PSNs的活动，他们还使用了一种钙离子指示剂GCaMP6s，这是一种荧光蛋白，其亮度会随着细胞内钙离子浓度的变化而变化。为了在同一个细胞中同时表达这两种蛋白，他们利用了一种名为T2A的自我切割肽，这种肽在*Ciona*中经过优化，能够确保两种蛋白的共表达。

研究发现，当PSNs被红光刺激激活时，会引发一系列变态事件，包括表皮细胞的后退运动、中胚层细胞的迁移以及尾部的退化。这些事件在自然条件下通常由机械或化学刺激触发，但在本研究中，通过光刺激PSNs，研究人员成功地诱导了这些过程。此外，研究还表明，即使光刺激是间歇性的，只要总刺激时间达到大约6分钟，变态过程仍能被触发。这表明PSNs的活动具有时间整合能力，即它们能够积累足够的信号以启动变态。而这一总刺激时间与传统机械刺激所需的至少30分钟相比，显著缩短，进一步支持了PSNs在变态过程中的关键作用。

研究人员还通过一系列实验验证了光刺激的效用。他们发现，即使在没有机械刺激的情况下，仅通过光刺激PSNs，也能诱导变态过程，并且能够观察到表皮细胞的钙离子信号传播，这是变态过程中的一个重要环节。通过使用不同的光刺激模式，如不同脉冲长度和间隔时间，研究人员进一步探索了PSNs对变态的调控机制。结果显示，当刺激时间间隔较长时，变态开始的时间也相应延迟，这表明PSNs的活动需要一定的时间积累。然而，即使刺激被短暂中断，只要总时间达到6分钟，变态仍能被诱导。这一发现为理解PSNs在变态中的作用提供了重要的证据。

此外，研究还探讨了光刺激对变态过程的影响。与传统的机械刺激相比，光刺激能够更快速地诱导变态，这可能是因为光直接作用于PSNs，而机械刺激则需要通过其他细胞间接传递信号。研究还发现，PSNs的钙离子信号在不同光刺激强度下保持稳定，这表明光刺激在本实验条件下能够有效地激活PSNs，而不会因强度变化而影响信号的产生。这一结果进一步支持了PSNs在变态中的核心作用。

为了确保实验的准确性和可重复性，研究人员详细描述了实验材料和方法。他们从特定的实验室获取了*Ciona intestinalis* type A的样本，并通过显微镜技术观察其发育过程。在实验中，他们使用了多种光刺激参数，包括不同波长的激光和不同的刺激时间，以测试这些因素对变态的影响。同时，他们还使用了基因沉默技术，通过注射特定的反义寡核苷酸（morpholino oligonucleotides, MOs）来抑制*Foxg*基因的表达，从而验证PSNs是否是诱导变态的关键细胞类型。

研究还涉及了对数据的分析方法。通过使用ImageJ软件，研究人员对荧光信号的强度进行了量化分析，并手动确定了变态的起始时间。这些分析方法确保了实验结果的可靠性和可重复性，为后续研究提供了坚实的基础。

总体而言，这项研究不仅揭示了PSNs在*Ciona*变态过程中的关键作用，还为利用光遗传学技术研究神经活动与发育过程之间的关系提供了新的工具和方法。通过直接激活PSNs，研究人员能够更精确地控制和监测变态过程，从而为理解海洋生物的发育机制提供了重要的线索。此外，这项研究还展示了光遗传学技术在非哺乳动物模型中的应用潜力，特别是在研究神经活动对形态变化的影响方面。未来的研究可能会进一步探索如何通过光刺激来重现机械刺激所引发的两种钙离子信号，以及这些信号如何在神经网络中传递和整合，最终导致变态的发生。