Neuron | 冯国平等开发首个无需植入便可控制大脑活动的微创光遗传学技术

来源：BioArt

撰文 | 兮
目前，神经生物学领域已经开发了许多方法可以调节特定脑区的神经活性。这些方法帮助我们了解了不同脑区的生理功能。现在，部分方法也已经应用在神经系统相关疾病的治疗中，通过特异性激活或者抑制特定脑区中的神经元恢复或者改善相关临床症状。

光遗传学是一种利用光线让神经元兴奋或抑制的方法。通过使大脑内特定类型的神经元表达一种对光线有反应的视蛋白（opsins），科学家们可以利用光来影响神经元活动，从而研究特定类型的神经元或神经环路对行为和认知功能的影响。
在过去的几十年中，光遗传学因其特异性强、反应速度快（毫秒级别）、高空间精度等优势而越来越获得科研人员的青睐。但是，同其它方法一样，该方法也依赖于手术植入特定装置，这会给神经组织带来不可逆转的损伤，为临床应用带来了巨大的障碍。第二个问题是，在脑组织中，只有植入的光源周围的细胞可以得到足够的光，但远处细胞则会由于衰减而接收到的光强过低，不足以被激活。而在非人灵长类等大型动物中，它们的脑组织要比小鼠大的多，这就造成了，在利用小鼠的研究中，光遗传足以改变老鼠的行为，但对于猕猴等非人灵长类，往往只会有一个过小的区域足以被激活，很难产生行为上的变化，使通向临床的道路难上加难。
为了克服上述缺点，近日，美国MIT冯国平课题组和Robert Desimone课题组合作（共同一作为Xin Gong，Diego Mendoza-Halliday和Jonathan T. Ting）在Neuron杂志上发表文章An Ultra-Sensitive Step-Function Opsin for Minimally Invasive Optogenetic Stimulation in Mice and Macaques，开发了新型光敏感视蛋白分子——SOUL（Step-function Opsin with Ultra-high Light sensitivity），可以不用插入光源，将光源置于体外，即可激活小鼠脑内任何区域的神经元和猕猴皮层主沟中的神经元。

研究人员首先通过将C128S、D156A和T159C突变组合起来构建了更加敏感的视蛋白分子——SOUL，并利用小鼠海马原代神经元和膜片钳技术验证了该视蛋白的敏感性比其他光敏蛋白（SSFO）要更敏感，同时也发现该蛋白并不会影响神经元基础电属性。
接下来，研究人员构建了Cre诱导的SOUL-P2A-tdTomato敲入小鼠，利用(PV)-IRES-Cre和ChAT-Cre鼠，结合tdTomato和内源性神经元标记物确定了SOUL可以在特定类型的神经元表达以及其高保真性。
SOUL可否在光刺激下被激活或者失活？首先研究人员在体外利用蓝光和橙光照射PV-IRES-Cre:SOUL小鼠的大脑切片,发现可以在特定神经元实现对光电流的控制。
由于光在脑内传播时的严重衰减（2mm处，即衰减到初始光源的1%-1‰），因此越深的脑区，越难以被体外光源激活。接下来，研究人员验证了可以利用体外光源，激活脑内最深的脑区之一——外侧下丘脑（lateral hypothalamus，LH , 5.5-6.2mm深）。通过在SOUL小鼠的外侧下丘脑中注射CaMKII-Cre AAV，发现可以阻止已禁食8-12小时的小鼠在见到食物之后的进食行为，同时也可以利用橙光关闭SOUL，完全恢复该行为，并对小鼠比如视觉等没有影响。

猕猴的脑部体积要大于小鼠，部分脑区也会更深，那么SOUL可否在猕猴身上一展身手呢？研究人员将光纤放在猕猴的硬脑膜外，用来照射大脑，利用AAV将SOUL注射入猕猴大脑主沟内的神经元中，可以改变猕猴大脑皮层主沟中（深度6mm）的神经元反应，也实现了在猕猴大脑中诱发局部场电位（Local Field Potential, LFP）振荡。通过将光纤置于猕猴体外，这种方法，可大大提高可刺激的脑区的面积。

总之，研究者们开发的这种新型视蛋白分子可以在啮齿类和哺乳类动物身上实现在体外非侵入地控制神经元活性。此研究的一个主要新颖之处在于，它是第一个展示一种通过体外光源可以激活小鼠大脑内任何区域，而不依赖其位置的方法。利用这种方法，可以同时激活小鼠内多个脑区。同时，在此之前，没有任何先前的研究证明有在猕猴体内可以完成如此微创的光遗传学方法。因此，SOUL将在神经生物学研究和临床上具有巨大的应用前景。


原文链接：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.03.032

制版人：琪酱