光遗传学技术用于灵长类动物的新技术

光遗传干扰，是将光敏离子通道和泵嵌入遗传靶向神经元细胞膜中，通过光调节其活性，在精确的时间内，激活和抑制某些特异性细胞以控制神经活动，这彻底改变了神经科学研究模式。

该方法已经广泛应用于啮齿类动物大脑，但少有研究表明光遗传学干扰对非人灵长类动物(NHPs)的行为影响。

2021 年 8 月 30 日，麻省理工学院脑与认知科学系Rishi Rajalingham等发表了题为“Chronically implantable LED arrays for behavioral optogenetics in primates”的文章。

他们开发了一种可长期植入的发光二极管阵列，用于高通量光遗传学干扰，研究复杂大脑（如恒河猴）的行为光遗传学。

该研究验证了光阵列可以光遗传沉默猕猴初级视觉皮层，导致在亮度辨别任务中存在明显的视觉缺陷，并排除了组织加热效应的干扰，表明光阵列在大型脑的行为光遗传学应用中的有效性。

1.光阵列的规格和属性

为在NHPs进行光遗传学实验，利用了光遗传学的优势——精确的空间和时间控制指定基因型的神经元，研究者开发了Opto-Array，一种长期可植入的LED阵列。

Fig. 1 | opto-Array design

a光电阵列设计原理图。b通过输入电压控制单个LED光输出功率作为输入强度的函数，水平虚线对应猴子身上可测量的行为效应的光学电极平均输出功率。c与发光二极管表面横向距离小于1 mm的水平面上，光功率的空间密度。d根据输入能量激活不同组的LED产生的最高升温。机载热敏电阻测量的升温显示在左侧y轴上，而估计的大脑表面升温显示在右侧y轴。e在占空比为50%的情况下，通过改变LED激活时间的频率，相应的热传感器响应的增加。f Opto-Array手术植入物示意图。

首先对光阵列的光度特性进行表征，并与另一种光传递方法进行比较(图1b)。在30%强度下工作的单个LED与光纤输出的功率匹配，在猴子身上(10-15 mW)产生了可测量的行为效应。

有报道称，超过2°C的皮层温度升高会在啮齿类动物的某些细胞类型中诱发峰值甚至组织损伤。为限制光照驱动的组织产热，在固定的低频激活(图1d)和改变激活时间频率(图1e)时，均随光照能量线性增加，大脑表面热传感器相应增加，但仍远远低于组织损伤的阈值。

这些数据表明，光阵列可以测量由LED照明引起的加热，而典型的实验使用导致的加热低于组织损伤的风险。

2.猕猴初级视觉皮层(V1)的行为干扰

在灵长类动物的行为实验中测试了光阵列的有效性。实验1研究了猕猴皮层中V1区域在强制选择亮度识别任务中的因果关系(图2 a, b)。改变视觉刺激的亮度，相应地任务难度也改变。如预期的那样，猴的表现随任务难度而有规律地变化(图2c)。

Fig. 2 | opto-Array design

a亮度识别任务的行为模式。b在a和c中行为控制模式的时间过程。d V1皮质空间组织(下)与视野视觉空间组织(上)的对应关系。干扰光阵列植入区域的行为效应预计将在空间上局限于目标ROI（紫色）。e 以LED条件为例(左上角为LED激活位置)，显示Z-adored心理测量位移图（右），并从左侧显示的目标区域拟合心理测量曲线。f，与e同，示例第二个LED条件。

由于任务的空间对称性，在视野中径向相反的位置上，可能有相同幅度和相反符号的相应行为效应。比较光照和对照试验，测量猴在亮度识别任务中的表现。

为了最大限度地扩展空间和光的功率，同时激活了四个相邻LED组并交叉，获取两种不同激活条件(图2 e、f)，分析不同LED条件和目标ROI内子区域的相应效果。

结 论

结果表明，光阵列技术通过推进光传递的方法，提高了大型灵长类动物大脑中光遗传学效率，并可能在未来进一步提高，包括记录探针。Opto-Array的主要限制来自于表面照明，它固有地偏向于表层（如皮层），这使探索深层大脑结构变得困难。

总之，Opto-Array可以帮助在NHPs中实现更安全、长期可重复的行为光遗传学实验，也可能为开发人类大脑的可植入假体设备提供平台。

来源：brainnews