感官時代中的光遺傳學技術

譚 晶 李騰飛 張 宇 孫 躒 李思博 辛 華

(1. 佳木斯大學附屬第一醫(yī)院檢驗科，黑龍江省，佳木斯 154000 中國；2. 佳木斯中醫(yī)院 骨三科，黑龍江省，佳木斯 154000 中國；3. 佳木斯市傳染病醫(yī)院 感染二科，黑龍江省，佳木斯 154000 中國)

1 光遺傳學介紹

光遺傳學是一項整合了光學、軟件控制、基因操作技術、電生理等多學科交叉的技術，讓我們能夠精準地探究特定的神經環(huán)路和大腦功能之間的關系，這是一個跨越式的進步?？茖W家發(fā)現(xiàn)，微生物能夠感知光線，改變細胞膜狀態(tài)，2005年Karl Deisseroth提出通過在神經細胞中表達光敏蛋白，引起科學家對光感細胞方面的高度關注。2007年，光遺傳學技術實現(xiàn)了對小鼠行為的精確控制[1]。此后，研究者發(fā)現(xiàn)了一系列視蛋白家族，如嗜鹽菌視紫紅質、細菌視紫紅質、視紫紅質和多成分動物視蛋白。通過使用基因工程技術，其被選擇性地植入目標的神經元亞群中引發(fā)動作電位，在同一組織部位既能實現(xiàn)光發(fā)生控制又能接受檢測信號。這些蛋白質的離子通道對不同波段光發(fā)生反應，使細胞膜去極化或者超極化，再綜合行為學、電生理學、心理學等信息集合了解調控狀態(tài)。從復雜的神經系統(tǒng)中獲取高分辨率的信息，是光遺傳學技術中面臨的一個挑戰(zhàn)，科學家又利用生物化學工程技術去除脂質，將完整的組織轉換為納米水凝膠形式，在水凝膠中保持蛋白質和細胞在適當的位置(稱為CLARITY)，調控變得更迅速更方便更直觀[2]。光發(fā)生工具迅速發(fā)展，推動科學家對神經在健康和疾病狀態(tài)下的結構和功能的理解，并且不僅可以應用在神經元上，還能夠用于基因的控制，為臨床治療提供了一種變革性方法。

2 感覺傳輸系統(tǒng)

感覺細胞將某些刺激轉化為神經系統(tǒng)的動作電位，每一種感覺都有各自獨特的信息傳導方式。視覺通過光感受器探測光波；觸覺、聽覺通過機械感受器探測皮膚的壓力和內耳中的聲波；味覺和嗅覺依賴于味蕾和鼻道中的化學感受器探測周圍環(huán)境中的化學分子。這些化學感覺是最基礎的感覺，與生俱來。

2.1 視覺

大部分的大腦皮層都會參與到視覺過程當中。光波的頻率決定了光的色調，光波的振幅決定了光的亮度。光感受器把光能轉換成大腦可以理解的神經沖動，經過角膜和瞳孔照射在晶狀體上，投射至視網膜。視網膜內有兩種感光細胞，一類是以視紫紅質為感光色素的視桿細胞，另一類是以視紫藍質為感光色素的視錐細胞。視網膜的神經層有光感受器、雙極神經元和節(jié)神經元，它們建立了視覺傳導通路，將信號傳導至大腦視覺皮層。

研究發(fā)現(xiàn)光遺傳學和雙光子熒光顯微成像等技術組合可以通過非侵入性的方式實現(xiàn)對目標神經元的操作，在小鼠的大腦皮層上已經實現(xiàn)[3、4]。在進一步攻克了光遺傳學刺激和成像在清醒獼猴大腦皮層上應用的困難后，研究證明了光刺激能給獼猴帶來與視覺刺激相當的感知[5]。視網膜上的一類感光性神經節(jié)細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)包含黑視素，它不能形成視覺，通過表達抗利尿素激素影響下丘腦的視交叉上核進行視覺信息傳遞[6]，它參與了人的晝夜節(jié)律和生物鐘的調節(jié)[7]。光激活黑視素后導致膜的去極化，觸發(fā)多種細胞內信號促進視神經再生，對視神經病變有強的抵抗能力[8]。人工應用黑視素可用于控制激素分泌、心肌細胞收縮和星形膠質細胞等，但尚未發(fā)現(xiàn)與其他感光色素是否存在密切關系。在靈長類動物中，以前對視力恢復的研究僅限于被切除的視網膜組織的電生理學記錄，現(xiàn)已有活體研究表明光遺傳療法可以恢復靈長類動物ipRGCs的反應，光發(fā)生刺激與光感受器驅動的效應相同,產生正常的感光通路，且在光感受器去除后仍然反應[9]。

光遺傳學技術在治療失明上已開始臨床前試驗，提高了人類治療失明的可能。光遺傳學不需要復雜的外科手術來植入假體，只需一次玻璃體內注射就可以使細胞變的光敏，通過在體內研究視網膜水平的修復，可以直接觀察治療作用下的完整回路，而不是僅得到最終效果。生物相容性高的特點使它更穩(wěn)定，副作用更小，作為視覺治療很有潛力，但其長期有效性和安全性的評估仍處于早期階段。

2.2 聽覺

聲音傳播通過空氣震動被耳廓捕獲，經過外耳道向中耳傳播，與鼓膜發(fā)生碰撞送到鼓室，經過放大造成內耳液體運動，一方面基底膜把信號傳遞給神經系統(tǒng)，另一方面維持平衡作用。骨迷路中的每個半規(guī)管可以探測不同類型的頭部旋轉，液體中的毛細胞發(fā)送動作電位向大腦提供加速度的信息。耳蝸內的毛細胞可以激活離子通道打開，電脈沖由螺旋器經聽覺傳導通路到達大腦皮層。重要的是毛細胞不能再生，隨著年齡增長，人的聽力也會下降。傳統(tǒng)實驗通過電刺激螺旋神經元(spiral ganglion neurons，SGNs)，為深度聽力受損患者提供周圍聲音信息，但電流的廣泛傳播激活了大量SGNs亞群，獨立刺激通道數量有限，相鄰電極產生電場重疊互相干擾，在噪聲的環(huán)境中對聲音信號感知有限。光發(fā)生刺激可以被限制在一定空間中，提高人工聲音編碼的頻譜分辨率，具有更好的空間選擇性，增加獨立刺激通道的數量。研究者選擇腺病毒作為視紫紅質植入神經元的病毒載體，通過特定波長的光刺激細胞膜發(fā)生去極化或超極化。在研究成年沙鼠中，刺激單個SGNs可記錄聽覺神經對光刺激的感知[10]。有針對性的調節(jié)聽覺神經元的特定亞群，能誘發(fā)聽覺神經活動性增加[11]。Meng等[12]發(fā)現(xiàn)光遺傳學技術中視蛋白的表達水平是決定實驗結果的一個重要變量，提高視蛋白表達能提高耳蝸神經元的興奮性，實現(xiàn)特異性刺激SGNs。這些研究有助于光生刺激在聽覺假體的臨床應用，將特定頻率的聲音呈現(xiàn)到耳蝸，增強對語音的辨識能力，改善聽力。

2.3 嗅覺

氣味由多種氣體分子組成，這種分子在進入鼻腔的過程中大部分被鼻毛過濾在外面，少量分子最終到達深部接觸到嗅上皮，它由數百萬個嗅覺神經元組成。每個分子與嗅覺神經元上的感受器結合，攜帶相同受體的氣味受體細胞將神經信號沿神經軸突上行，經過篩骨傳遞到大腦中的嗅小球中，每個嗅小球只激活一個僧帽細胞識別一種化學物質，使人的嗅覺系統(tǒng)中信息傳輸得到保持。神經元與僧帽細胞形成突觸，沿嗅束把信號將信息傳輸到大腦嗅覺皮層，大腦最終有意識地感知到特定的氣味。在氣味感知過程中，通過光遺傳學技術有效地檢測到單個嗅小球也能引起嗅覺感知，在不同的波段影響下引起不同的行為變化[13]。Boyd等[14]將光敏蛋白轉染到小鼠嗅覺皮層椎體細胞中，觀察不同類型嗅球神經元的變化，他們發(fā)現(xiàn)光敏基因除了能在嗅覺神經元中表達以外，刺激嗅覺皮層也能產生氣味反應，通過神經遞質傳遞到嗅球顆粒細胞層，同時引起僧帽細胞的自發(fā)放電，這種反饋回路對僧帽細胞在嗅覺傳遞過程中有重要作用。研究者在轉基因小鼠中使用光遺傳學輸入空間恒定、時間可控的嗅覺信息，通過小鼠的行為報告探究刺激嗅覺神經元的過程，將特定氣味與大腦情緒記憶聯(lián)系，證明嗅覺系統(tǒng)能觸發(fā)記憶[15]。

2.4 味覺

味覺開始于味覺感受器味蕾，它是上皮分化的特殊結構。味蕾可以感受到五種味道：酸、甜、苦、咸和鮮味。不同促味劑的感覺方式不同，咸的東西富含鈉離子，從而引起味覺細胞上的鈉離子通道打開，引發(fā)動作電位；酸的東西富含氫離子，激活質子通道觸發(fā)味覺。食物在口腔內的感覺信息被味蕾捕獲，每個味蕾擁有50～100個味覺感受器上皮細胞，對食物中的不同分子進行識別和反應。上皮細胞與神經元組合，把味道類型和強度信息通過神經元，經腦神經到達大腦皮層的味覺區(qū)域。利用單細胞膜片鉗記錄方法、神經元追蹤技術和光遺傳技術等，發(fā)現(xiàn)通過激活唇瓣外側的機械感受神經元，傳遞食物位置的信息而促進進食，激活的唇瓣內側機械感受神經元能提供食物硬度的信息而終止進食，證明機械感知在進食中起著關鍵作用[16]。研究者發(fā)現(xiàn)，神經元調節(jié)饑餓的機制通過選擇性激活下丘腦神經元，投射到下丘腦外側區(qū)域引起味覺的改變，證明下丘腦回路對于進食行為的重要性[17]。飲食行為受多種因素影響，其中食物的質感起到重要作用，Ou Fu等[18]發(fā)現(xiàn)腦橋臂旁核中表達SatB2的神經元在甜味轉導中起關鍵作用，能選擇性地將甜味信號傳遞到下丘腦。

3 結語

光遺傳學涉及多個學科疾病中的應用，現(xiàn)有研究中，很多問題尚未解決，比如如何選擇能夠跨細胞類型傳遞信息的載體，基因改造后的神經元的閾值是否改變，是否會導致感覺器官的提前衰老；長期感覺喪失的患者中，如何通過療效測試評估和改進治療方向；長期光發(fā)生刺激能否產生能量累積等等。同時，光遺傳學開辟了感官系統(tǒng)治療的新視角，為非侵入性治療研究提供了更廣闊的平臺，以提供精準的靶向治療，幫助更多殘障人士帶來生活的希望。