光遗传学：用光脉冲关闭神经元 防止癫痫发作

加州大学的研究人员利用光脉冲来防止神经元中类似癫痫发作的活动，这可能会成为一种新的治疗癫痫的方法。

　　

癫痫发作是由神经元网络的协调活动组成的，这表明控制癫痫病理回路中的神经元可以控制这种疾病。在非人类疾病模型中，光遗传学通过增加抑制性张力或减少兴奋性能够有效地阻止癫痫样活动，尽管这种效果尚未在人类脑组织中显示出来。一些用在非人类模型中实现光敏感通道蛋白表达的遗传手段，在人类中是不可行的；并且载体介导的方法容易受到物种特异的趋向性干扰而影响翻译。

加州大学的研究人员开发了一种光遗传学的方法，利用腺相关病毒将微生物中的光敏基因传递给来自人类大脑中的一组特定神经元，使这些神经元可以通过光脉冲打开和关闭。他们用高密度微电极阵列记录下了在几种过度亢进诱发条件下、用腺相关病毒介导的光遗传学实现让人类海马切片神经网络放电率降低 。这个平台可以通过探索人类脑组织中神经网络活动的遗传干预来弥合人类和动物研究之间的差距。

这是首次证明光遗传学可以用于控制活体人脑组织的癫痫活动，并为其他神经系统疾病和病症的新治疗打开了大门。最终，他们希望这项技术能够取代切除癫痫发作的脑组织的手术，为那些无法用药物控制症状的患者提供一种侵入性较小的选择。神经外科助理教授Tomasz Nowakowski博士是这项研究的资深作者之一，该研究发表在11月15日的《Nature Neuroscience》杂志上，他说：“这代表着朝着治疗癫痫和其他疾病的强有力的新方法迈出了一大步。”

研究方法

研究人员使用从癫痫患者身上取出的脑组织进行研究。神经外科住院医师约翰·安德鲁斯（John Andrews）医学博士将这些脑组织置于一种营养培养基上，这种培养基类似于浸泡在大脑中的脑脊液。为了让组织存活足够长的时间来完成研究，研究人员创造了一个模拟颅骨内部条件的环境。

加州大学伯克利分校的生物分子工程师David Schaffer博士找出了针对的特定神经元传递基因的最佳病毒。安德鲁斯把培养脑组织放在一个电极床上，这个电极床足够小，可以检测神经元相互交流的放电情况。当大脑活动正常时，神经元会以不同的时间和频率发出可预测的低水平信号。但在突然发作期间，这种喋喋不休的声音同步变成了巨大的电活动爆发，淹没了大脑的随意交谈。研究小组希望通过光脉冲关闭含有光敏蛋白的神经元，来防止爆发。

远程控制实验

首先，研究小组需要找到一种不干扰组织的方法来进行实验。这些微小的电极之间的距离只有17微米——还不到人类头发宽度的一半——这些大脑切片最轻微的移动都可能使结果产生偏差。

Mircea Teodorescu博士是UCSC电子和计算机工程副教授，也是这项研究的资深作者之一，他设计了一个远程控制系统来记录神经元的电活动，并可以向组织传递光脉冲。他们编写了软件，使科学家能够在 Santa Cruz 远程控制在旧金山实验室里的大脑组织来指导实验。这样，就不需要有人留在培养脑组织的房间里了。Mircea Teodorescu博士表示，“这是一次非常独特的合作，解决了一个极其复杂的研究问题。事实上，我们实际上完成了这一壮举，表明当我们把整个加州大学各机构的优势结合在一起时，我们可以走得更远。”

对癫痫发作的新认识

光遗传学使研究人员能够放大离散的神经元集。研究小组可以看到哪种类型的神经元以及需要多少神经元才能引发癫痫发作。他们确定了改变活体大脑切片中神经元电活动所需的最低光强度。研究人员还可以看到神经元之间的相互作用是如何抑制癫痫发作的。

加州大学旧金山分校神经外科主任Edward Chang医学博士说，这些见解可能会彻底改变对癫痫患者的护理。Chang说：“我相信在未来，如果我们使用这种方法，我们就不必这样做（切除脑组织）了。”Chang和Nowakowski一起是加州大学旧金山分校威尔神经科学研究所的成员。“我们将能够让人们更微妙、更有效地控制癫痫发作，同时使他们免受这种侵入性手术的困扰。”