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深度分析光遗传学技术在动物行为学神经回路中的研究方向①
点击次数:133 发布时间:2020-09-14

光遗传学被 《Nature methods》评为 2010 年度生物技术 。光遗传学技术是将光学和遗传学技术相结合,利用病毒载体,将微生物视蛋白基因引入到载体动物的脑组织,采用不同波长和频率的光进行照射,通过刺激光敏感蛋白开启或关闭特定细胞类群或特定神经元的活动进而调控其功能,从而控制动物行为 。本文就光遗传学技术的基本方法及应用,以及其在神经-精神疾病动物模型中如何调控神经回路作一综述。

一、光遗传学技术

近来,研究者一直致力于不同行为的神经回路研究,探讨其投射连接,观察通过调控某一类神经元活动后的相应行为学表现。而电刺激和药理学的方法可能导致实验结果不准确,光遗传学技术具有目的性强、低损伤性、高时空分辨率和遗传特异性等特点,近年来在神经科学领域的生物学机制的研究中得到了广泛应用。光遗传学技术可包括下述几部分,对此作简单介绍。

1、光敏感蛋白

生物体内存在着一类可以感受不同波长光的刺激,并对该光学刺激产生一系列效应的膜蛋白,即视蛋白。

目前, 型视蛋白包括: 细菌视紫红质 ( Bac-teriorhodopsin,BR) ,盐视紫红质 ( Halorhodopsin,HR) ,通道视紫红质 ( Channelrhodopsin, ChR ) 。ChR 在莱茵衣藻 ( Chlammydomonas reinhardti) 中发现,为蓝光激活的阳离子通道蛋白,作用为阳离子内流,使细胞膜去极化。2005 年,ChR2 首次应用于光控制神经元活动的实验中。型视蛋白 Opto XR,为视紫红质 G 蛋白偶联受体的嵌合体。是一种光敏感与 G 蛋白偶联的膜受体,G 蛋白又称鸟苷酸结合蛋白,与G蛋白偶联的膜受体有很多种,如M胆碱能受体、多巴胺能受体等,可参与细胞内信号转导,还可调控如谷氨酸等神经递质的信号传递功能。

2、光敏感蛋白的表达

光敏感蛋白,是光遗传学的一种关键工具,在脑内诸多神经元中稳定表达。随着生物工程技术的发展,现在已经研发出许多将光敏感基因运载至细胞或神经元,并有效表达成光敏感蛋白的病毒载体。如腺相关病毒 AVV、慢病毒、Cre - Loxp 重组酶系统和各种转基因小鼠等。

3、光刺激和信号  

光刺激系统有光列二极管 ( LED) 等。体外实验中,脑片电生理-全细胞膜片钳技术记录神经元放电信号,观察其光电流特征; 在体实验中,在体立体定向注射病毒载体,经过 10-14 天待其充分表达后,构建光神经界面,植入光纤并固定,行在体光刺激,细胞膜内外离子差产生,膜电位发生变化记录神经元的放电情况 。与光调控相匹配的解读体系包括电生理记录,功能磁共振成像或定量的动物行为学分析等。

二、光遗传学技术在神经科学研究中的应用

通过光遗传学技术可将光敏感通道蛋白表达在特定的细胞,用于突触可塑性、神经系统的疾病治疗、动物行为学、神经回路研究等多方面

1、突触可塑性的研究

树突棘是大脑神经元接受和传递信息的重要结构,是形成突触的关键部位,在突触可塑性中发挥重要作用。90%以上的兴奋性突触存在于树突棘头部中,应用光遗传学技术可以同时检测多个树突棘的信号,突破了停 留在单个突触水平的研究。Ta-kahashi 等 通过对啮齿类动物海马区锥体细胞的上百个树突棘进行研究,发现临近的树突棘在自发活动中会趋于同步化,使得输入信号整合,成为动作电位输出。

也有研究应用光照激活星型胶质细胞上表达的ChR2 能促发谷氨酸递质释放,可激活神经元的

AMPA 受体 而 AMPA 受体与突触可塑性有关。这些研究表明通过选择性调节特异性神经元或神经细胞数量,光遗传学技术在突触可塑性研究中有较大应用前景。

2、神经系疾病的治疗研究

光遗传学技术除了检测大脑中癫痫发作的起始点外,还用于研究严重癫痫持续状态的持续或中止。Sukhotinsky 等利用光遗传学技术揭示了海马兴奋型神经元在氯化锂-匹罗卡品诱导大鼠急性癫痫中的作用。Alilain 等 利用光遗传学技术将 ChR2 表达于膈肌运动细胞群,光照刺激下,颈部脊髓损伤的动物可以恢复呼吸运动。光遗传学技术也为帕金森症的神经机制提供了新的见解和思路。

3、动物行为学和神经回路研究

动物交际行为学测试中,通过光遗传学技术可明确下丘脑泌素 / 进食素在特定情境中扮演的角色。Huber 等利用光遗传学技术将 ChR2 表达在小鼠初级感觉皮层-桶状皮层神经元中,利用蓝光照射并结合奖励进行行为学训练的方式,蓝光照射时,小鼠向左转,给予水喝,作为正确识别的奖励,研究小鼠行为与光照之间的关系,证实小鼠奖赏记忆行为准确率与蓝光照射有较强的相关性。神经回路是神经细胞、分子活动和脑整体活动的连接桥梁。运用光遗传学技术,在动物中实现了对神经元和突触的高时间分辨率、高精que度的光学调控,为动物行为学的神经回路的研究提供较好的一个方法学技术。

 

下一篇我们将继续研究探讨光遗传学技术在动物行为学中的应用研究以及光遗传学技术在动物行为学应用中有良好前景

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