冯国平教授Neuron报道：首个不需要植入物的微创光遗传学技术

无植入物的光遗传学可以最大程度地减少神经元刺激期间的大脑损伤

　　

最新一项研究表明，一种不需要脑植入物的微创光遗传学技术可以成功地操纵小鼠和猕猴体内神经元的活性。研究人员首先对神经元进行了基因工程改造，产生一种新开发的，对光非常敏感的蛋白质（称为SOUL）。然后，他们证明可以通过头骨照射光来改变整个小鼠大脑的神经元反应，并可以通过dura厚膜到达猕猴的浅表区域。

这一重要新技术公布在Neuron杂志上。

文章通讯作者之一，麻省理工学院（MIT）冯国平教授说：“这种新工具能确保神经科学家在动物实验中应用光遗传学，同时确保被研究的大脑在实验过程中受到的损害最小。尤其是，猕猴模型对于我们理解精神分裂症和阿茨海默病等脑部疾病的高认知功能及其功能障碍至关重要，对于开发针对这些破坏性脑部疾病的治疗方法至关重要。”

光遗传学是一种神经生物学重要方法，通过使用光来激活或灭活经过基因修饰产生光响应蛋白（称为视蛋白）的神经元。这种方法帮助神经科学家可以检查不同类型的神经元在各种行为和认知过程中的因果作用。但是这种方法存在一个主要的缺点，就是该技术通常需要植入光纤，这会导致脑部损伤和炎症，并增加感染的风险。

文章另外一位作者Robert Desimone说：“在我们的研究之前，一些研究以各种方式为光遗传刺激方法的发展做出了贡献。但是，所有这些研究在它们可以激活的大脑区域范围上都有各种局限性。我们研究的一个主要新颖之处在于，它是第一个展示一种通过外界光线可以激活小鼠任何大脑区域，而不依赖其位置的方法。”

在这项新研究中，研究人员使用光敏蛋白SOUL操纵了下丘脑外侧区域（小鼠大脑最深的区域之一）中神经元的活动。他们是通过位于完整颅骨上方的光纤发出的光来完成的。为了确认该方法是否有效，他们还使用电生理记录监测了该大脑区域的神经元反应。

蓝光的传递刺激了神经元，破坏了由下丘脑外侧控制的进食行为。橘黄色的光则使神经元失活，恢复了正常的食物进食。进一步分析证实，这种方法不会引起大脑发生炎症或损伤。

在灵长类实验中，研究人员通过光纤传送光，实验表明SOUL可用于改变猕猴大脑皮层（大脑神经组织的外层）中的神经元反应。这组作者说，没有任何先前的研究证明有在猕猴体内可以完成如此微创的光遗传学方法。

令人惊讶的是，该技术能够诱导和破坏局部场电势振荡，到目前为止，要研究振荡在脑功能中的因果作用，一直非常困难。

展望未来，基于SOUL的光遗传学开辟了许多新的研究途径。例如，这种方法可能有助于早期大脑发育，这尤其容易受到长期光纤植入物引起的严重组织损伤的影响。由于其卓越的光敏性，SOUL可用于控制涉及各种脑功能的大规模神经回路中的神经元反应。此外，SOUL可以保持活跃状态​​超过30分钟，从而使科学家能够研究不受光纤限制的自由移动动物的长期行为。

不过作者也提醒，尽管该技术减少了与光遗传学相关的侵袭性和脑损伤，但距临床应用还有很长的路要走。

冯教授说：“在作为可行的治疗选择之前，需要仔细评估这种治疗在患者中的潜在风险，尤其是与脑中视蛋白（一种视蛋白）表达相关的风险。”

（生物通：万纹）

作者简介：

冯国平,Guoping Feng
现任麻省理工学院大脑与认知科学系McGovern大脑研究所Poitras教授，兼职华东师范大学特聘（国家****引进）教授。

浙江桐庐人，1982年毕业于浙江医科大学。1986年在上海第二医科大学取得硕士学位。1989-1995年在纽约州立大学水牛城分校攻读博士学位。1995-2000年在华盛顿大学师从著名生物学家Josh>Sanes从事博士后研究。期间系统揭示了乙酰胆碱能神经突触的发育机理，同时创建了为神经生物学界广泛应用的绿色荧光蛋白转基因小鼠模型(GFP>transgenic>mice)。2000 年受聘于杜克大学，曾任美国杜克大学神经生物学系助理教授，终身副教授。科研论文曾在《细胞》、《科学》、《神经元》和《自然-神经科学》等顶级生物学杂志上发表。在美期间，十多次获得学术嘉奖。

研究方向：研究神经突触和环路功能及精神疾病发生机理，创建神经系统研究新技术。

https://mcgovern.mit.edu/principal-investigators/guoping-feng

原文标题：

Neuron, Gong, Mendoza-Halliday, and Ting et al.: "An Ultra-Sensitive Step-Function Opsin for Minimally Invasive Optogenetic Stimulation in Mice and Macaques,"