科学家可以利用光控制大脑回路、行为和情绪

科学家可以利用光控制大脑回路、行为和情绪。IBS认知和社交中心开发了一种新的光遗传工具，“Opto-vTrap”，预计将有助于治疗癫痫、肌肉痉挛和皮肤皱纹。

　　

   

   

(左上)Opto-vTrap的组分在囊泡和细胞质中表达。(右上)闪烁的蓝光使囊泡聚集并完全抑制胞吐。关闭蓝光后，囊泡脱落并迅速恢复到正常状态。Opto-vTrap可作为下一代光遗传消声器，以最小的干扰效应控制大脑活动和行为。

控制大脑回路中的信号传输和接收对于神经科学家更好地理解大脑的功能是必要的。神经元和胶质细胞之间的通信是由囊泡通过胞吐释放的各种神经递质介导的。因此，调节囊泡分泌可能是控制和理解大脑回路的一种可能策略。

然而，利用已有的技术很难自由地控制脑细胞在时空中的活动。一种是间接的方法，包括人工控制细胞的膜电位，但它带来的问题是改变周围环境的酸度或导致不必要的神经元失灵。此外，它不适用于对膜电位变化没有反应的细胞，如胶质细胞。

为了解决这一问题，韩国基础科学研究所(IBS)认知与社会中心主任c?贾斯廷?李和韩国科学技术院(KAIST)教授许元道等人开发出了“Opto- vtrap”。一种光诱导的可逆抑制系统，能暂时阻止囊泡从脑细胞中释放出来。Opto-vTrap直接瞄准含有囊泡的递质，它可以用于各种类型的脑细胞，甚至是那些对膜电位变化没有反应的脑细胞。

为了直接控制胞外囊泡，研究小组使用了他们在2014年开发的一种名为“组装陷阱的光激活可逆抑制(LARIAT)”的技术。当蓝光照射下，这个平台可以像套索一样瞬间捕获目标蛋白质，从而使各种类型的蛋白质失活。利用该LARIAT平台开发了用于囊泡胞吐的Opto-vTrap。当表达Opto-vTrap的细胞或组织在蓝光下照射时，囊泡形成簇并被困在细胞内，抑制发射器的释放。

最重要的是，这种新技术所引发的抑制是暂时的，这对神经科学研究非常重要。以前的其他技术针对的是囊泡融合蛋白，它们会永久性地破坏它们，并使目标神经元失去功能长达24小时，这不适用于许多具有短时间限制的行为实验。相比之下，使用Opto-vTrap去激活的小泡在大约15分钟内就会脱落，神经元在一小时内就能恢复其全部功能。

Opto-vTrap直接控制信号发射器的释放，使研究人员能够自由控制大脑活动。研究团队验证了Opto-vTrap在培养细胞和脑组织切片中的可用性。此外，他们在活老鼠身上测试了这项技术，使它们能够暂时消除恐惧状态下动物的恐惧记忆。

未来，Opto-vTrap将被用于揭示大脑多个部分之间的复杂互动。这将是一个非常有用的工具，用于研究特定的脑细胞类型如何在不同的环境下影响大脑功能。

Heo教授说,“既然Opto-vTrap可用于各种类型的细胞,这将有助于大脑科学研究的各个领域,”他解释说,“我们计划开展一项研究,求出时空的大脑功能在不同的大脑细胞类型在特定环境中使用Opto-vTrap技术。”

“Opto-vTrap的可用性不仅可以延伸到神经科学，还可以延伸到我们的生活，”李主任解释说。他补充说，“Opto-vTrap不仅将有助于阐明脑电路映射，还将有助于癫痫治疗、肌肉痉挛治疗和皮肤组织扩张技术。”

这项研究发表在11月30日的《神经元》杂志上(IF:17.173)。

了解更多关于这项研究:https://youtu.be/Ltd4cXGXU34

文章标题

Opto-vTrap, an optogenetic trap for reversible inhibition of vesicular release, synaptic transmission and behavior