光遗传学设备

光遗传学

      光遗传学(optogenetics),即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性,发现脑部如何产生γ波(gamma oscillations),并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据,这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。

       2006年诞生了“optogenetics=光遗传学”这个词(Deisseroth 2006)在科学家感兴趣的靶细胞上表达来自视蛋白的光学门控离子通道( light-gateion channels),比如视紫红质通道蛋白channelrhodopsin-2=ChR2)和嗜盐菌紫质(halorhodopsin=NpHR)等的视蛋白后,对该细胞照射特定波长光的条件下靶细胞个别表现“激活一Excitation’’或者“关闭一Inhibition”的反应。

2010年在《Nature Methods》上光遗传学技术被评选出“Method of the year。

   光遗传学,这项技术能帮助科学家分析研究几乎所有类型的神经细胞。比如大脑的嗅觉、视觉、触觉、听觉细胞等,开辟了一个新的让人激动的研究领域,因此吸引了许多科学家们投身于这领域。

 

   光遗传学的应用范围不仅仅是对大脑环路的技术方法。在日本东京大学研究组对果蝇幼虫身上的运动环路神经细胞进行研究确定了一群控制各个运动神经细胞活动的速度而决定果蝇幼虫的前进速度的神经细胞群( PMSls)。在鱼类、两栖类、哺乳动物类身上也能够找到类似神经细胞,通过本次东京大学研究对超过物种分别,探索动物共有的控制运动速度神经机构密码的很大进步。


光影响小白鼠的大脑

斯坦福大学的研究人员使用光来影响小白鼠的大脑,让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来,甚至是重新走路。他们把这项技术称之为Optogenetics(optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遗传学)。

光纤植入大鼠脑内[1]

这个技术的关键是:科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因,这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应,还能通过自生特性感染类似的细胞。

斑马鱼幼虫细胞中靶向插入光敏开关

研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关,结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发,因为哺乳动物也有类似的细胞。此外,这项研究也凸现了新技术的亮点,使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位可以轻松研究某一类型的细胞。

人的

研究表明在罹患与其他精神病学与神经病学疾病的患者,光遗传学新工具给予科学家很大的机会来探索这些信号通路的功能。γ振荡反映出大型互连神经元网路的同步活动,以范围在每秒 20 - 80 周期的频率发射。这些振荡被认为由一种特殊的抑制细胞(inhibitory cells)称为快闪中间神经元(fast-spiking interneurons) 所控制,但是到目前为止,这一设想并未得到具体的证实。

光遗传学

为了测定哪些神经元负责驱动这种振荡,研究人员利用一种被称为 channelrhodopsin-2(ChR2,第二型离子通道视紫质)的蛋白,这种蛋白能使神经元对光敏感。通过结合遗传学技术,研究人员在不同类型的神经元中表达了ChR2,通过激光与遍及脑部的光纤,精确调控它们的活性。

通过更进一步的实验,研究人员还发现根据刺激发生在振荡周期的哪个阶段,脑部对于触觉刺激的反应会更大或更小。从而支持了前文的构想:这些同步振荡对于控制我们如何感知刺激很重要。


    前景预测

使用这些光遗传学(optogenetic)工具,能够,并直接演示神经元激活表现出的行为结果。该光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。

     应用

光遗传学研究使用的新技术可以推广到所有类型的神经细胞,比如大脑的嗅觉,视觉,触觉,听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域,可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。

光遗传技术--21世纪神经科学领域最引人注目的革新!

光遗传学(optogenetics)是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因(如ChR2,eBR,NaHR3.0,Arch或OptoXR等)转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。

光遗传技术具有独特的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点,克服了传统手段控制细胞或有机体活动的许多缺点,能对神经元进行非侵入式的精准定位刺激操作而彻底改变了神经科学领域的研究状况,为神经科学提供了革命性的研究手段。光遗传技术在将来还有可能发展出一系列中枢神经系统疾病的新疗法。

光遗传学技术的应用在2010年后得到飞速的发展,应用研究领域涵盖多个经典实验动物种系(果蝇、线虫、小鼠、大鼠、绒猴以及食蟹猴等),并涉及神经科学研究的多个方面,包括神经环路基础研究、学习记忆研究、成瘾性研究、运动障碍、睡眠障碍、帕金森症模型、抑郁症和焦虑症动物模型等应用。


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