感官时代中的光遗传学技术

谭 晶 李腾飞 张 宇 孙 跞 李思博 辛 华

(1. 佳木斯大学附属第一医院检验科，黑龙江省，佳木斯 154000 中国；2. 佳木斯中医院 骨三科，黑龙江省，佳木斯 154000 中国；3. 佳木斯市传染病医院 感染二科，黑龙江省，佳木斯 154000 中国)

1 光遗传学介绍

光遗传学是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的技术，让我们能够精准地探究特定的神经环路和大脑功能之间的关系，这是一个跨越式的进步。科学家发现，微生物能够感知光线，改变细胞膜状态，2005年Karl Deisseroth提出通过在神经细胞中表达光敏蛋白，引起科学家对光感细胞方面的高度关注。2007年，光遗传学技术实现了对小鼠行为的精确控制[1]。此后，研究者发现了一系列视蛋白家族，如嗜盐菌视紫红质、细菌视紫红质、视紫红质和多成分动物视蛋白。通过使用基因工程技术，其被选择性地植入目标的神经元亚群中引发动作电位，在同一组织部位既能实现光发生控制又能接受检测信号。这些蛋白质的离子通道对不同波段光发生反应，使细胞膜去极化或者超极化，再综合行为学、电生理学、心理学等信息集合了解调控状态。从复杂的神经系统中获取高分辨率的信息，是光遗传学技术中面临的一个挑战，科学家又利用生物化学工程技术去除脂质，将完整的组织转换为纳米水凝胶形式，在水凝胶中保持蛋白质和细胞在适当的位置(称为CLARITY)，调控变得更迅速更方便更直观[2]。光发生工具迅速发展，推动科学家对神经在健康和疾病状态下的结构和功能的理解，并且不仅可以应用在神经元上，还能够用于基因的控制，为临床治疗提供了一种变革性方法。

2 感觉传输系统

感觉细胞将某些刺激转化为神经系统的动作电位，每一种感觉都有各自独特的信息传导方式。视觉通过光感受器探测光波；触觉、听觉通过机械感受器探测皮肤的压力和内耳中的声波；味觉和嗅觉依赖于味蕾和鼻道中的化学感受器探测周围环境中的化学分子。这些化学感觉是最基础的感觉，与生俱来。

2.1 视觉

大部分的大脑皮层都会参与到视觉过程当中。光波的频率决定了光的色调，光波的振幅决定了光的亮度。光感受器把光能转换成大脑可以理解的神经冲动，经过角膜和瞳孔照射在晶状体上，投射至视网膜。视网膜内有两种感光细胞，一类是以视紫红质为感光色素的视杆细胞，另一类是以视紫蓝质为感光色素的视锥细胞。视网膜的神经层有光感受器、双极神经元和节神经元，它们建立了视觉传导通路，将信号传导至大脑视觉皮层。

研究发现光遗传学和双光子荧光显微成像等技术组合可以通过非侵入性的方式实现对目标神经元的操作，在小鼠的大脑皮层上已经实现[3、4]。在进一步攻克了光遗传学刺激和成像在清醒猕猴大脑皮层上应用的困难后，研究证明了光刺激能给猕猴带来与视觉刺激相当的感知[5]。视网膜上的一类感光性神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)包含黑视素，它不能形成视觉，通过表达抗利尿素激素影响下丘脑的视交叉上核进行视觉信息传递[6]，它参与了人的昼夜节律和生物钟的调节[7]。光激活黑视素后导致膜的去极化，触发多种细胞内信号促进视神经再生，对视神经病变有强的抵抗能力[8]。人工应用黑视素可用于控制激素分泌、心肌细胞收缩和星形胶质细胞等，但尚未发现与其他感光色素是否存在密切关系。在灵长类动物中，以前对视力恢复的研究仅限于被切除的视网膜组织的电生理学记录，现已有活体研究表明光遗传疗法可以恢复灵长类动物ipRGCs的反应，光发生刺激与光感受器驱动的效应相同,产生正常的感光通路，且在光感受器去除后仍然反应[9]。

光遗传学技术在治疗失明上已开始临床前试验，提高了人类治疗失明的可能。光遗传学不需要复杂的外科手术来植入假体，只需一次玻璃体内注射就可以使细胞变的光敏，通过在体内研究视网膜水平的修复，可以直接观察治疗作用下的完整回路，而不是仅得到最终效果。生物相容性高的特点使它更稳定，副作用更小，作为视觉治疗很有潜力，但其长期有效性和安全性的评估仍处于早期阶段。

2.2 听觉

声音传播通过空气震动被耳廓捕获，经过外耳道向中耳传播，与鼓膜发生碰撞送到鼓室，经过放大造成内耳液体运动，一方面基底膜把信号传递给神经系统，另一方面维持平衡作用。骨迷路中的每个半规管可以探测不同类型的头部旋转，液体中的毛细胞发送动作电位向大脑提供加速度的信息。耳蜗内的毛细胞可以激活离子通道打开，电脉冲由螺旋器经听觉传导通路到达大脑皮层。重要的是毛细胞不能再生，随着年龄增长，人的听力也会下降。传统实验通过电刺激螺旋神经元(spiral ganglion neurons，SGNs)，为深度听力受损患者提供周围声音信息，但电流的广泛传播激活了大量SGNs亚群，独立刺激通道数量有限，相邻电极产生电场重叠互相干扰，在噪声的环境中对声音信号感知有限。光发生刺激可以被限制在一定空间中，提高人工声音编码的频谱分辨率，具有更好的空间选择性，增加独立刺激通道的数量。研究者选择腺病毒作为视紫红质植入神经元的病毒载体，通过特定波长的光刺激细胞膜发生去极化或超极化。在研究成年沙鼠中，刺激单个SGNs可记录听觉神经对光刺激的感知[10]。有针对性的调节听觉神经元的特定亚群，能诱发听觉神经活动性增加[11]。Meng等[12]发现光遗传学技术中视蛋白的表达水平是决定实验结果的一个重要变量，提高视蛋白表达能提高耳蜗神经元的兴奋性，实现特异性刺激SGNs。这些研究有助于光生刺激在听觉假体的临床应用，将特定频率的声音呈现到耳蜗，增强对语音的辨识能力，改善听力。

2.3 嗅觉

气味由多种气体分子组成，这种分子在进入鼻腔的过程中大部分被鼻毛过滤在外面，少量分子最终到达深部接触到嗅上皮，它由数百万个嗅觉神经元组成。每个分子与嗅觉神经元上的感受器结合，携带相同受体的气味受体细胞将神经信号沿神经轴突上行，经过筛骨传递到大脑中的嗅小球中，每个嗅小球只激活一个僧帽细胞识别一种化学物质，使人的嗅觉系统中信息传输得到保持。神经元与僧帽细胞形成突触，沿嗅束把信号将信息传输到大脑嗅觉皮层，大脑最终有意识地感知到特定的气味。在气味感知过程中，通过光遗传学技术有效地检测到单个嗅小球也能引起嗅觉感知，在不同的波段影响下引起不同的行为变化[13]。Boyd等[14]将光敏蛋白转染到小鼠嗅觉皮层椎体细胞中，观察不同类型嗅球神经元的变化，他们发现光敏基因除了能在嗅觉神经元中表达以外，刺激嗅觉皮层也能产生气味反应，通过神经递质传递到嗅球颗粒细胞层，同时引起僧帽细胞的自发放电，这种反馈回路对僧帽细胞在嗅觉传递过程中有重要作用。研究者在转基因小鼠中使用光遗传学输入空间恒定、时间可控的嗅觉信息，通过小鼠的行为报告探究刺激嗅觉神经元的过程，将特定气味与大脑情绪记忆联系，证明嗅觉系统能触发记忆[15]。

2.4 味觉

味觉开始于味觉感受器味蕾，它是上皮分化的特殊结构。味蕾可以感受到五种味道：酸、甜、苦、咸和鲜味。不同促味剂的感觉方式不同，咸的东西富含钠离子，从而引起味觉细胞上的钠离子通道打开，引发动作电位；酸的东西富含氢离子，激活质子通道触发味觉。食物在口腔内的感觉信息被味蕾捕获，每个味蕾拥有50～100个味觉感受器上皮细胞，对食物中的不同分子进行识别和反应。上皮细胞与神经元组合，把味道类型和强度信息通过神经元，经脑神经到达大脑皮层的味觉区域。利用单细胞膜片钳记录方法、神经元追踪技术和光遗传技术等，发现通过激活唇瓣外侧的机械感受神经元，传递食物位置的信息而促进进食，激活的唇瓣内侧机械感受神经元能提供食物硬度的信息而终止进食，证明机械感知在进食中起着关键作用[16]。研究者发现，神经元调节饥饿的机制通过选择性激活下丘脑神经元，投射到下丘脑外侧区域引起味觉的改变，证明下丘脑回路对于进食行为的重要性[17]。饮食行为受多种因素影响，其中食物的质感起到重要作用，Ou Fu等[18]发现脑桥臂旁核中表达SatB2的神经元在甜味转导中起关键作用，能选择性地将甜味信号传递到下丘脑。

3 结语

光遗传学涉及多个学科疾病中的应用，现有研究中，很多问题尚未解决，比如如何选择能够跨细胞类型传递信息的载体，基因改造后的神经元的阈值是否改变，是否会导致感觉器官的提前衰老；长期感觉丧失的患者中，如何通过疗效测试评估和改进治疗方向；长期光发生刺激能否产生能量累积等等。同时，光遗传学开辟了感官系统治疗的新视角，为非侵入性治疗研究提供了更广阔的平台，以提供精准的靶向治疗，帮助更多残障人士带来生活的希望。