时间：2020-09-08 14:35
在大脑的研究中我们常常会使用光遗传学技术观察神经环路。在过去的十年中，光遗传学已经在调节特定大脑区域神经元活动的方法中占据一席之地，它具有细胞类型和神经回路特异性、毫秒级时间分辨率和高空间精度等优点，因此越来越受欢迎。
然而，光遗传学需要通过外科手术植入光纤，这会对大脑造成永久性的损害，诱发急性炎症反应以及慢性异物反应，同时影响体内神经元的活动和稳态，提高大脑感染的风险，带来极大的安全隐患。
最近Gong xin和他的团队开发了一种基于具有超高光敏性的新型阶跃功能视蛋白（SOUL）的微创光遗传学新技术，克服了这一安全隐患。这项技术具有一定的优势：
① 可在光功率大大衰减的条件下进行光激活，实现组织发热最小化；
② 可以最大限度地减少对外科手术的要求，避免组织损伤；
③ 经颅照明可以覆盖整个大脑，可激活任意表达SOUL的区域；
④ SOUL被激活后将保持打开状态数十分钟，便于后续实验操作。
那么这种新技术是怎么完成的呢？Gong Xin和他的团队通过Quikchange定点突变将T159C突变导入稳定的阶跃功能视蛋白（SSFO）（ChR2 C128S/D156A）cDNA中，构建了SOUL。再利用NheI和HpaI限制性酶切位点将SOUL cDNA亚克隆到rAAV-hSyn1-P2A-tdTomato载体中。
与未突变的SSFO相比，表达SOUL的小鼠海马神经元具有显着更高的操作光灵敏度（图1A和1B），峰值光电流振幅为391.36±38.88 pA，几乎是233.66±26.14 pA的SSFO表达神经元的两倍（图1C）。
图1. SOUL的体外表征
既然SOUL光敏度更高，那么我们在哪些动物模型上可以使用它呢？作者在两种动物模型上检测了SOUL微创光遗传学方法。
在小鼠中，作者通过CaMKII下丘脑外侧（LH）神经元的经颅SOUL激活来诱导，测试了LH中兴奋性神经元的光激活对食物匮乏小鼠进食的影响（图2A–2C）。结果显示，缺乏食物并表达SOUL的小鼠在被蓝光激活SOUL后的10分钟内，显示出明显减少的食物消耗。而被橙光照射失活SOUL的小鼠，这种行为效应被完全逆转（图D）。因此，SOUL可用于小鼠深脑区的无创经颅光激活，以操纵神经元的活动和行为。
图2. SOUL在小鼠实验中的应用
同样的方法还能应用于恒河猴。作者从硬脑膜外部对SOUL进行光刺激来调节神经元突触并发现SOUL可在皮质中引起局部场电位振荡。该方法为恒河猴研究提供了与小鼠研究相同的益处，包括预防组织损伤，感染和外科手术引起的炎症，开发了大脑早期发育过程探索技术的可能性。
总的来讲，作者利用SOUL功能视蛋白设计的光遗传方法改进了传统光遗传方法应用中存在的问题，同时为神经和精神疾病的微创治疗、了解脑电波在大脑功能中的作用以及探索大脑早期发育过程等研究提供了一种新的思路。
【参考文献】
1. Jennings J H, Rizzi G, Stamatakis A M, et al. The inhibitory circuit architecture of the lateral hypothalamus orchestrates feeding[J]. Science, 2013, 341(6153): 1517-1521.
2. Gong X, Mendoza-Halliday D, Ting J T, et al. An Ultra-Sensitive Step-Function Opsin for Minimally Invasive Optogenetic Stimulation in Mice and Macaques[J]. Neuron, 2020.
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