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科学家开发首个无线光遗传操控设备成功完成小鼠 “交际操控”
发布时间:2022-03-10 07:11:45 来源:乐动体育网址


  近来,来自美国西北大学的黄永刚教授、Kozorovitskiy 教授、Rogers 教授以及大连理工大学的解兆谦教授协作,成功开发出首个超微型、无线、无电池且彻底可植入的光遗传操控设备,并在小鼠体内成功完成无线光遗传操控,让一对生疏的小鼠快速成为了 “好兄弟”。

  对此,Kozorovitskiy 教授表明,“曾经的光遗传学技能无法调查多只动物在杂乱环境中的交际互动。由于此前的光遗传学操控需求用到光纤,而在杂乱环境中,光纤简单被折断或将动物环绕住。显着,咱们开发的无线光遗传调控设备更适合在杂乱环境中研讨动物的行为。”

  光遗传学是一项整合了光学、软件操控、基因操作技能、电生理等多学科穿插的技能。咱们知道,当神经元处于静息状况时,细胞膜两头存在着电位差,这被称为静息电位。静息电位的发生是由于膜表里各种离子的散布不均衡,以及细胞膜蛋白对各种离子的通透性不同形成的。

  而光遗传学的基本原理在于,首要运用东西病毒载体,将光感基因(如 ChR2,eBR,NpHR3.0,Arch 或 OptoXR 等)转入到神经系统特定类型的细胞中进行特别离子通道或 GPCR 的表达。光感离子通道在不同波长的光照影响下会分别对阳离子或许阴离子的经过发生挑选性,如 Cl-、Na+、H+、K+,然后形成细胞膜两头的膜电位发生变化,到达对细胞挑选性地振奋或许按捺的意图。

  比较起传统的研讨办法,光遗传学有着无与伦比的长处。它只需求向细胞内转入一个蛋白,实践操作性高;以光作为影响前言,可完成神经细胞的毫秒级操控;运用光遗传技能调查神经投射;经过安排特异性启动子完成特定细胞的调控;对试验动物的伤口远远小于传统办法,且没有异物侵入安排;能够用定位的光纤来部分影响细胞,也能够规划弥散光大规模影响脑区。

  早在 1960 时代,耶鲁大学年青的科恩教授(Lawrence B. Cohen) 就开端想办法引入一个光的元素,把神经电信号变成光。

  他的主意是运用一种化学染料把神经细胞染色。染料的分子并不进入神经细胞,而只附着在细胞膜上。这样当神经细胞发生电信号时,染料的分子结构遭到电场影响而改动色彩。这样就能够经过丈量染料的荧光来对神经安排进行成像。

  可是这种办法有个显着的缺陷,便是对神经细胞没有挑选性,不同神经细胞对光信号奉献无法分隔。咱们知道大脑中有振奋和按捺两种神经细胞,就像轿车的油门和刹车,振奋的担任 “嗨”,按捺的担任打盹。如果有一种办法能分清楚这两种不同细胞的信号,那研讨工作就更上了一层楼。可是化学染料对神经细胞的挑选性是很差的,远远做不到分辩不同来自细胞的信号。

  1990 时代,下村脩的水母荧光蛋白敏捷成为光学遗传学范畴中的第一个明星。首要,它的基因被克隆,并能够在其他物种中表达。由此只要把它的基因转移到某些细胞中,这些细胞就能够在安排中发亮,给科学家指引方针。

  2005 年,斯坦福大学 Karl Deisseroth 试验室经过在小鼠活体神经细胞中表达藻类光敏蛋白,然后成功运用外部光源来操控和监督小鼠大脑活动。这一研讨成功完成活体神经细胞呼应不同波长的光影响调控,宣告人类正式具有了精准操控大脑的东西。

  这项技能听起来或许像是科幻小说,可是它确实是一项非常重要的技能。现在,人类运用光遗传学技能在修正失明和神经退行性疾病上都取得了非常严重的打破

  尽管光遗传学是一项使用远景非常广泛的技能,但是此前的光遗传学研讨一向遭到光传输技能的约束。例如,此前人类能够轻松运用光遗传技能操控独自动物的神经活动,却关于多只动物的交际活动束手无策。

  由于光遗传学操控所需的光源通常会经过光纤与动物头部衔接。而当动物四处活动时,光纤无疑是一个巨大的阻止,会约束动物的举动,也简单被折断。

  为了处理传统光纤的捆绑,研讨人员测验开发了一种细小的无线光调控设备,该设备能够轻轻地放在动物头骨外表,经过 LED 柔性细丝探针延伸至大脑内部,操控神经元活动。

  这一微型设备运用近场通信协议,类似于手机的电子付出技能,使得研讨人员能够经过计算机实时操控 LED 灯的活动。此外,这一无线设备运用试验场所周边的线圈为设备进行无线供电,无需粗笨的电池,也能够长期运用。

  为了验证这一技能的实用性,研讨人员规划了一个试验来探究光遗传调控下的小鼠交际互动。

  在关闭环境中,当两只小鼠互相接近时,研讨人员经过无线光遗传调控设备激活这两只小鼠大脑中的高阶履行功用相关神经元。成果发现,比较于其他小鼠,这两只小鼠敏捷化身 “好兄弟”,开端频频、长期的互动和沟通。而一旦失掉影响,这两只小鼠又会敏捷下降交际和互动的频率,变得 “冷淡”。

  对此,Rogers 教授表明,“本研讨初次在特定环境中一起对多个光遗传调控设备进行彻底独立的数字操控,完成了光遗传学的无线操控。这一技能的成功关于社群动物的脑活动研讨非常重要,这也是现在神经科学范畴最风趣、最前沿、最令人振奋的方向之一。”

  总的来说,这一研讨,初次证明了无线光遗传调控设备的可行性,并初次在社群动物中完成交际行为调控,为未来社群动物脑活动研讨奠定了根底。


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