下尿路专栏 | 光遗传学系列之 (02) 神经调控

为了实现兴奋或抑制神经活动的精确性，需要选择不同的光敏感蛋白。光遗传学中使用的视蛋白是微生物、光敏离子通道或泵。

微生物视蛋白可分为两种类型：去极化视蛋白和超极化视蛋白。不同类型的视蛋白经过不同波长的光信号刺激可以产生不同效应。

如通道视紫红质2（ChR2）是应用最广泛的非选择性去极化视蛋白。473nm波长的蓝光可以促进钠离子通道开放、正离子流入、膜去极化和神经元激活。

相比之下，质子泵古紫红质和氯泵盐紫红质是抑制性视蛋白，其动作电位的电阈值升高。质子泵古紫红质在532nm绿光刺激下和氯泵盐紫红质在580nm黄光刺激下产生神经元抑制作用。

同时，不同光谱的视蛋白可以在同一细胞中共表达，从而激活或抑制细胞活性。

实现光遗传学技术治疗人体疾病的一个重要前提是能够在体内特异、充足、永久和一致的表达视蛋白表达。病毒转导和转基因是光遗传操作中最常用的基因靶向方法。

几种病毒已被应用于基因靶向，包括腺相关病毒（AAV）、慢病毒和单纯疱疹病毒。AAV在人类中是主要的基因传递方法。神经元类型特异性基因传递可以通过衣壳的特征、给药途径和启动子的设计来操纵。几种最佳血清型能够高度选择性地递送转基因，包括AAV 1、4、5、6、8、9。

通过给药途径可以实现对表达位点的额外限制。神经内注射、鞘内注射或直接背根神经节注射均可维持转导效率，而血管内注射和腹腔注射对病毒密度要求较高，侵入性较小，操作简便。

最后，启动子的设计也可以诱导AAV的细胞类型限制。常用的启动子包括CaMKIIα、hSyn、EF1α、NES和GFAP。

基因靶向也可以通过使用Cre-loxp系统进行转基因来实现。在模式生物如小鼠或果蝇中，转基因为细胞特异性操作提供了有效的方法。

通过在cre驱动系中注入cre依赖的病毒载体，将启动子特异性cre驱动系与携带cre依赖视蛋白基因的系杂交，获得特异性表达。这种方法允许在神经元和非神经元细胞中更一致的基因表达。然而，转基因需要复杂的技术，不能应用于人类。

采用导入光纤或者控制激光实现将光导入研究的区域，如，通过选择不同参数( 波长、 光强度、频率) 光照进行刺激，对神经元进行精准的时间和/或空间调控。

研究人员已经开发出一种标准的中枢神经系统（CNS）的光传输方法，可以通过连接在头骨上的光纤来瞄准大脑结构。然而，在周围神经系统（PNS）中，由于其结构的多样性，光传递方法更具挑战性。

类似地，将系绳光纤或微型无机发光二极管（μ-ILEDs）应用于脊髓，将电缆粘接在椎骨上或轴突上，用袖口包裹神经。

尽管纤维的柔韧性有限，但纤维与大脑、脊髓或轴突之间的机械相对位移增加了神经损伤的风险。

采用大容量电池或电感耦合供电的无线设备解决了这些问题。无线系统还提供了一种在体内实现闭环光遗传调制的方法。然而，设备的寿命和稳定性是需要考虑的问题。

通过非侵入性方法，如透皮照明，特别是使用红移通道紫红质，可以实现外周传入神经或平滑肌的光遗传学控制。

可见光照可能会影响动物的行为，因此必须对动物进行习惯化和实验间的控制。光的穿透深度是另一个问题，特别是在内脏刺激中。

镧系掺杂的上转换纳米粒子已经应用于光遗传学，它可以将穿透组织的近红外光子转化为足以激活通道视紫红质表达神经元的可见光。

与银和钴共掺杂的硫化锌纳米颗粒可以捕获被激发的电子并存储能量，直到被聚焦超声触发，为非侵入性光遗传学提供超声介导的深层组织光源。

经腔内入路是可行的中空脏器照明，如膀胱，其中纤维通过y形接头连接到经尿道导管。虽然仍处于早期阶段，内部发光系统，如荧光素酶/荧光素，可能非常适合未来的深层组织神经调节。