诺贝尔奖新宠儿---光遗传学

诺贝尔奖新宠儿---光遗传学

     光遗传学(optogenetics)技术，是一种通过结合光学技术和遗传学技术来精确控制细胞活动的方法，2010年度被《Nature Methods》杂志评选为“最受关注科技成果技术”之一。这项技术可能会应用于多种神经和精神疾病的治疗，如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓损伤、精神分裂症等。

光遗传学的神经生物学应用
      光遗传学技术最早是由斯坦福大学的Karl Deisseroth博士实验室引入神经生物学领域的，先给特定种类的神经元转入一种基因，这种基因表达会产生通道蛋白，不用颜色的激光刺激可以控制这些通道的开和关，从而实现激活或者抑制这类神经元的作用。使用光遗传学工具，能够在动物处于清醒状况下，激活特定种类的神经元，并直接观察这类神经元激活导致的行为变化，例如2009年研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的细胞中靶向插入光敏开关，激光刺激之后发现斑马鱼幼虫表现出了突发的游泳行为。

      在光遗传学实验中，研究人员可以在感兴趣的特定种类神经元上表达某种视蛋白基因，如（ChR2，阳离子通道视紫质），这类视蛋白是离子通道蛋白，对特定波长的激光敏感，它们的开关使得阴离子或者阳离子进入神经元，改变神经元的电位达到激活或者抑制这类神经元的目的。通过结合遗传学技术，研究人员可以在不同类型的神经元中表达ChR2，通过激光与光纤，精确调控它们的活性。

光遗传学的研究步骤
光遗传学技术的应用主要包括以下5个关键步骤：
 首先需要寻找合适的光敏蛋白，这类蛋白质具有天然的光敏性，或经过修饰后具有的光敏性；
 其次需要将遗传信息传递，即通过病毒转导、转染、转基因动物等方式将光敏蛋白的遗传信息传递给靶细胞；
 然后是可控性演示，即通过时间和空间控制演示光线的特定性，实现对细胞活动的精确演示；
 再次是读取研究结果，即采用电极检测细胞膜内外电压变化，以此来验证光敏蛋白的有效性，并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞的读出值；
    最后通过行为测试来评估细胞活动对动物行为整个动物的影响。

中国科学家应用光遗传学技术在神经生物学上的重大突破
1.中科院神经所李澄宇研究组，Science 346, 458 (2014):通过光遗传技术对小鼠内侧前额叶神经元进行电活动的调节，并观察此操作对小鼠学习记忆任务的影响。

ChR2基因在VGAT-Cre小鼠内侧前额叶皮层表达的免疫组织化学检测

2.中科院神经所姚海珊研究组，Nature Communications 6, 6802(2015):采用光遗传学技术分别抑制了小清蛋白（PV）阳性中间神经元或生长抑素（SOM）阳性中间神经元，通过对皮质神经元放电速率和信噪比的观察，得出结论：PV阳性的抑制性神经元在视皮层可靠编码视觉信息的过程中起重要作用。

通过光遗传学分别抑制PV阳性和SOM阳性神经元的效果

3.中科院深圳先进技术研究院的王立平研究组，Nature Communications 6, 6756(2015):通过光遗传学技术在小鼠中发现，上丘（SC）到丘脑侧后核（LP核）的神经投射（一个非经典丘脑通路），足以模拟视觉引发的恐惧应答。

通过光遗传学激活ILSCm引发非条件性恐惧行为

4.浙江大学郑筱祥研究组，BioMed Research International，2014 (2014):通过光遗传学工具选择性激活大鼠腹侧被盖区（VTA）中CaMKIIα阳性的兴奋神经元，引发了行为自由的大鼠有较高的自主活动。这项研究为未来神经科学研究和神经工程如动物机器人的发展提供了理论依据。

光遗传学研究有效性的组织学和在体电生理验证

5.复旦大学张嘉漪研究组，Proc. of SPIE 8548, 854842-1(2013):研究了光遗传学工具在新生小鼠体内中的应用，即在小鼠视力出现之前将ChR2蛋白在视网膜神经节细胞（RGCs）中表达，实验结果显示：光遗传学工具可以非常精确地控制视网膜的活动，且可以用于对新生啮齿类动物中枢神经系统发育的研究。

在视网膜中由AAV驱动的ChR2表达

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