精准之光：CapChR2 介导的突触可塑性光遗传学调控新突破

《Scientific Reports》：Theoretical analysis of low power optogenetic control of synaptic plasticity with subcellular expression of CapChR2 at postsynaptic spine

为精确控制突触神经元末端细胞内钙（Ca2+）浓度，探索大脑学习和记忆机制，研究人员开展以 CapChR2 在突触后棘亚细胞表达的低功率光遗传学控制理论分析研究。结果表明该方法可有效控制 Ca2+浓度，确定了光辐照阈值等。这为研究学习记忆及治疗神经疾病提供新途径。

　　在大脑的微观世界里，神经元之间通过突触传递信息，而这一过程中，细胞内钙（Ca²⁺）浓度的精确调控至关重要，它是学习和记忆形成的基础。然而，目前对于如何精准控制突触处 Ca²⁺浓度，进而揭示大脑学习和记忆的奥秘，仍是一个亟待攻克的难题。传统的光遗传学工具，如 Channelrhodopsin-2（ChR2），虽在神经科学研究中广泛应用，但因其对 Ca²⁺的通透性较低，限制了其在有效触发基于 Ca²⁺的信号神经传递方面的应用。为了突破这一瓶颈，来自 Dayalbagh Educational Institute（印度阿格拉）的研究人员开展了一项关于低功率光遗传学控制突触可塑性的研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员采用的主要关键技术方法包括构建综合计算模型，该模型整合了 CapChR2 光电流模型与突触可塑性状态变量理论模型，同时考虑了 Ca²⁺动力学的随机性；运用数值模拟方法，通过在 MATLAB 环境中求解一系列方程，研究不同刺激条件下突触可塑性的变化。
研究结果如下：

• CapChR2 光电流动力学：研究发现 CapChR2 在光照下能让多种离子（主要是 Ca²⁺）跨膜流动。不同光照条件下，CapChR2 的光电流不同，且光电流大小和激活速度受光照强度影响。例如，在 10³ μW/mm2 光照下，短（10 ms）、长（500 ms）光脉冲刺激时，光电流分别为 0.88±0.02 nA 和 1.74±0.05 nA。光照强度增加，光电流幅值增大，激活速度加快，同时适应比降低，这意味着更高光照强度会使光电流更快脱敏12。
• 多种刺激对突触效能的影响：
  • 同时刺激：同时对突触前末端、突触后棘进行电刺激以及对表达 CapChR2 的突触后棘进行光遗传学激活，能有效改变突触效能，且所需的光照辐照阈值降低。如同时刺激时，光照辐照阈值从 30 μW/mm2 降至 20 μW/mm234。
  • 时间滞后影响：不同刺激之间的时间滞后（?t）对突触效能有显著影响。在不同的光照辐照下，存在使突触效能变化最大的最佳?t。例如，在 23 μW/mm2 时，突触前末端电刺激与突触后棘光遗传学激活之间的最佳?t 为 -100 ms56。
  • 刺激频率影响：刺激频率也会影响突触效能。低频（5 Hz）刺激时，Ca²⁺内流不足，无法引发突触可塑性变化。而表达 CapChR2 的突触后棘光遗传学激活，在光照辐照 8 μW/mm2 时，频率高于 5 Hz 就能改变突触效能，且光照辐照增加时，较低频率也能改变突触效能78。
    研究结论和讨论部分指出，该研究提出了一种直接光遗传学控制突触后棘细胞内 Ca²⁺浓度的新方法。通过精确控制 CapChR2 的表达和光照条件，能有效调节突触效能。这一研究对于理解突触可塑性、记忆形成以及 Ca²⁺依赖的信号通路具有重要意义，为后续研究提供了理论基础，也为开发治疗神经疾病的新策略提供了潜在方向。然而，该方法在体内研究中仍面临挑战，如 CapChR2 所需的蓝光在生物组织中存在强吸收和散射。但随着相关技术的发展，如双光子激发、上转换纳米颗粒的应用等，有望克服这些困难，进一步推动光遗传学在神经科学领域的应用。