光遺傳技術在調控神經系統與疾病治療領域的應用
光能控制語言和行為
光，可以是冬日的暖陽，夜空的星月，蟄伏的螢蟲，令人期盼的萬家燈火……光也可以作為一種工具，控制行為，控制語言！這在神經科學領域已經得到證實，美國德州大學西南醫學中心研究團隊成功以光控植入記憶的方式教導鳥類唱歌。
研究團隊對幼年雄性斑胸草雀進行實驗，斑胸草雀通常通過模仿父親的歌聲來學習唱歌，而這些斑胸草雀從未接觸過會唱歌的成年斑胸草雀。成員通過光操控 Nlf 神經元傳送訊息至 HVC中，當使用短脈沖光時，鳥兒就會發出短音節的歌聲，使用長脈沖光時，鳥兒發出了長音節的歌聲。
神奇的光遺傳學
上述這種神奇的光控技術就是光遺傳學(optogenetics)。光遺傳學是一項整合了光學、遺傳學、電生理等多學科的生物工程技術。其主要原理是采用基因操作技術將光感基因(如ChR2，NaHR3.0，Arch或OptoXR等)轉入到特定類型的細胞中進行特殊離子通道或GPCR的表達。光感離子通道在不同波長的光刺激下會對離子的通過產生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。
光遺傳讓生命科學更具想象力
基于其顯著的優勢，21世紀開始光遺傳學在神經科學領域得到快速發展，2019年應用光遺傳學發表的文章超過1000篇，其應用領域涵蓋多種經典實驗動物(果蠅、線蟲、斑馬魚、小鼠、大鼠、絨猴以及食蟹猴等)，研究內容涉及神經科學多個方面，包括神經環路基礎研究、學習記憶研究、精神障礙類研究、運動障礙、睡眠障礙、各種神經系統疾病模型等應用。
在疾病治療方面，北京師范大學生科院王友軍教授課題組與美國Texas A&M University 醫學院 Zhou Yubin教授實驗室合作開發了一項新的技術，光控“閘門” 調控興奮型胞鈣離子的進出（optoRGK），繼而調控細胞的生理活動，為心腦血管疾病或神經系統疾病提供了新的治療策略。
CaV通道被公認為是干預治療和生理調節的重要靶點，靶向CaV通道的鈣離子抑制劑在臨床上已經使用很多年。但是，目前使用的抑制劑普遍存在特異性差、抑制作用不可逆等缺陷，并且長期服用化學藥物對病人帶來的毒副作用不容忽視。通過基因工程技術，改造CaV通道的負調控蛋白（RGK GTPase），同時引入光敏感蛋白，利用光照調控CaV通道的活性，即光照阻斷鈣離子的進入，光源移去后，鈣離子順利流入。與傳統的鈣離子抑制劑相比，optoRGK 提供了精準的靶向，利用光照來替代傳統藥物，對于疾病治療顯示了極大的潛力。
2020年4月29日發表于Neuron上的一篇文章表示開發出了一種無需植入便能控制小鼠和靈長類神經元活動的微創光遺傳學技術。他們發現了一種對光線極為敏感的新蛋白SOUL，并對神經元細胞進行基因編輯，使之能夠產生這種蛋白，隨后他們在光纖不植入腦區內部的前提下成功讓光線穿過小鼠的頭骨并改變了全腦各區域的神經元反應，在靈長類動物模型中也證明了光可以穿過恒河猴厚實的硬腦膜，到達大腦的表層區域。
無線光遺傳學為動物的遠程刺激和抑制提供了有效方法，這在神經科學研究中，具有很大應用前景，為大腦以外神經組織的研究提供更好的思路。不久前，一篇來自Nanoscale的文章表示開發了一種靈活的、可完全植入的光遺傳轉換裝置來刺激硬膜外脊髓。轉換裝置使用生物相容的熱塑性聚丙烯作為主干，與納米粒子(UCNPs)混合，形成一個靈活的光極器件，可以將近紅外(NIR)照射轉換為可見光，用于脊髓組織的光遺傳操作。
在該系統中，柔性的轉換裝置可以完全植入脊柱結構中，即使經過4個月實驗，也顯示出良好的生物相容性。在清醒活動的小鼠中，同樣的裝置刺激遠端脊髓有效地抑制了動物的運動。這種靈活的轉換裝置為脊髓組織的無線神經調制提供了新的可能性。
RWD集成化光遺傳系統
從有創到微創到無創，從調控到改善再到治療，光遺傳學已經成為生命科學領域炙手可熱的研究手段。
RWD集成化光遺傳系統，性能穩定，操作簡便，致力于為神經科學領域提供一站式光遺傳學研究解決方案。 
這世界上有很多光，也許渺小但力量無窮。在生命科學的探索之路上，愿瑞沃德為你點亮光遺傳學這束光，為你的科研保駕護航。
參考文獻
Wenchan Zhao et al. Inception of memories that guide vocal learning in the songbird .Science (2019)
Jennifer N et al. Optogenetic stimulation of dentate gyrus engrams restores memory in Alzheimer's disease mice. Hippocampus (2017)
Guolin Ma et al.Optogenetic Control of Voltage-Gated Calcium Channels. Angewandte Chemie International Edition (2017)
X. Gong et al. An ultra-sensitive step-function opsin for minimally invasive optogenetic stimulation in mice and macaques. Neuron (2020)
Ying Wang et al. Flexible and Fully Implantable Upconversion Device for Wireless Optogenetic Stimulation of the Spinal Cord in Behaving Animals. Nanoscale (2020)
光，可以是冬日的暖陽，夜空的星月，蟄伏的螢蟲，令人期盼的萬家燈火……光也可以作為一種工具，控制行為，控制語言！這在神經科學領域已經得到證實，美國德州大學西南醫學中心研究團隊成功以光控植入記憶的方式教導鳥類唱歌。
研究團隊對幼年雄性斑胸草雀進行實驗，斑胸草雀通常通過模仿父親的歌聲來學習唱歌，而這些斑胸草雀從未接觸過會唱歌的成年斑胸草雀。成員通過光操控 Nlf 神經元傳送訊息至 HVC中，當使用短脈沖光時，鳥兒就會發出短音節的歌聲，使用長脈沖光時，鳥兒發出了長音節的歌聲。
歌曲學習和相關神經回路概述（圖源參考文獻）
神奇的光遺傳學
上述這種神奇的光控技術就是光遺傳學(optogenetics)。光遺傳學是一項整合了光學、遺傳學、電生理等多學科的生物工程技術。其主要原理是采用基因操作技術將光感基因(如ChR2，NaHR3.0，Arch或OptoXR等)轉入到特定類型的細胞中進行特殊離子通道或GPCR的表達。光感離子通道在不同波長的光刺激下會對離子的通過產生選擇性，從而造成細胞膜兩邊的膜電位發生變化，達到對細胞選擇性地興奮或者抑制的目的。
光遺傳讓生命科學更具想象力
- 調控神經系統
基于其顯著的優勢，21世紀開始光遺傳學在神經科學領域得到快速發展，2019年應用光遺傳學發表的文章超過1000篇，其應用領域涵蓋多種經典實驗動物(果蠅、線蟲、斑馬魚、小鼠、大鼠、絨猴以及食蟹猴等)，研究內容涉及神經科學多個方面，包括神經環路基礎研究、學習記憶研究、精神障礙類研究、運動障礙、睡眠障礙、各種神經系統疾病模型等應用。
- 對一些疾病能產生治療作用
改造原理圖（圖源參考文獻）
在疾病治療方面，北京師范大學生科院王友軍教授課題組與美國Texas A&M University 醫學院 Zhou Yubin教授實驗室合作開發了一項新的技術，光控“閘門” 調控興奮型胞鈣離子的進出（optoRGK），繼而調控細胞的生理活動，為心腦血管疾病或神經系統疾病提供了新的治療策略。
CaV通道被公認為是干預治療和生理調節的重要靶點，靶向CaV通道的鈣離子抑制劑在臨床上已經使用很多年。但是，目前使用的抑制劑普遍存在特異性差、抑制作用不可逆等缺陷，并且長期服用化學藥物對病人帶來的毒副作用不容忽視。通過基因工程技術，改造CaV通道的負調控蛋白（RGK GTPase），同時引入光敏感蛋白，利用光照調控CaV通道的活性，即光照阻斷鈣離子的進入，光源移去后，鈣離子順利流入。與傳統的鈣離子抑制劑相比，optoRGK 提供了精準的靶向，利用光照來替代傳統藥物，對于疾病治療顯示了極大的潛力。
optoRGK作用示意圖（圖源自參考文獻）
- 促進微創及無創技術發展
2020年4月29日發表于Neuron上的一篇文章表示開發出了一種無需植入便能控制小鼠和靈長類神經元活動的微創光遺傳學技術。他們發現了一種對光線極為敏感的新蛋白SOUL，并對神經元細胞進行基因編輯，使之能夠產生這種蛋白，隨后他們在光纖不植入腦區內部的前提下成功讓光線穿過小鼠的頭骨并改變了全腦各區域的神經元反應，在靈長類動物模型中也證明了光可以穿過恒河猴厚實的硬腦膜，到達大腦的表層區域。
微創光遺傳示意圖（圖源參考文獻）
無線光遺傳學為動物的遠程刺激和抑制提供了有效方法，這在神經科學研究中，具有很大應用前景，為大腦以外神經組織的研究提供更好的思路。不久前，一篇來自Nanoscale的文章表示開發了一種靈活的、可完全植入的光遺傳轉換裝置來刺激硬膜外脊髓。轉換裝置使用生物相容的熱塑性聚丙烯作為主干，與納米粒子(UCNPs)混合，形成一個靈活的光極器件，可以將近紅外(NIR)照射轉換為可見光，用于脊髓組織的光遺傳操作。
在該系統中，柔性的轉換裝置可以完全植入脊柱結構中，即使經過4個月實驗，也顯示出良好的生物相容性。在清醒活動的小鼠中，同樣的裝置刺激遠端脊髓有效地抑制了動物的運動。這種靈活的轉換裝置為脊髓組織的無線神經調制提供了新的可能性。
脊髓調控示意圖（圖源參考文獻）
從有創到微創到無創，從調控到改善再到治療，光遺傳學已經成為生命科學領域炙手可熱的研究手段。
RWD集成化光遺傳系統，性能穩定，操作簡便，致力于為神經科學領域提供一站式光遺傳學研究解決方案。
這世界上有很多光，也許渺小但力量無窮。在生命科學的探索之路上，愿瑞沃德為你點亮光遺傳學這束光，為你的科研保駕護航。
參考文獻
Wenchan Zhao et al. Inception of memories that guide vocal learning in the songbird .Science (2019)
Jennifer N et al. Optogenetic stimulation of dentate gyrus engrams restores memory in Alzheimer's disease mice. Hippocampus (2017)
Guolin Ma et al.Optogenetic Control of Voltage-Gated Calcium Channels. Angewandte Chemie International Edition (2017)
X. Gong et al. An ultra-sensitive step-function opsin for minimally invasive optogenetic stimulation in mice and macaques. Neuron (2020)
Ying Wang et al. Flexible and Fully Implantable Upconversion Device for Wireless Optogenetic Stimulation of the Spinal Cord in Behaving Animals. Nanoscale (2020)
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