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標題: 「光遺傳學」技術開啟研究神經迴路的新紀元 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2018-5-25 01:18 AM 標題: 「光遺傳學」技術開啟研究神經迴路的新紀元

本帖最後由 jiunn36 於 2018-5-25 01:19 AM 編輯

　　關於光遺傳學(Optogenetic)這個技術﹐得從約十年多前的史丹佛大學(Stanford University)開始講起。在1999年到2000年間還分別是PhD研究生和MD-PhD研究生的Ed Boyden和Karl Deisseroth常常在Richard Tsien's lab 腦力激盪想問題到深夜。其中一個困擾他們的重要問題便是「如何激活單一神經元卻不影響到周遭的神經元呢？」。
　　當時能做到的是利用電壓和電流的改變來改變神經膜電位﹐進而激活或抑制神經。而儘管是現行技術﹐電的刺激仍無法只刺激單一神經元。你也許會問﹐這個問題很重要嗎？刺激單一神經元或許對於研究可愛的魚類的神經生物學家來說﹐可能不是太嚴重的問題﹔但對於研究哺乳類﹐乃至於希望將研究應用到人身上的研究﹐就是一個亟待解決的問題了。
　　因為簡單的魚類﹐一個神經核中往往只有一種神經細胞﹔但哺乳動物的腦部神經核中﹐大多含有不只一種細胞種類﹐而且常常混雜著多種傳遞不同神經傳導物質的神經元﹐如富含血清素(Serotonin)的中腦中縫背核(Dorsal Raphe Nucleus)中﹐除了含有大量傳遞血清素的神經元﹐仍夾著傳遞γ胺基丁酸(GABA; gamma-aminobutyric acid)的神經元。
　　而合理推斷帶有不同傳導物質的神經元﹐應該扮演著不同的功能和角色。所以如果能夠單獨刺激單一種類的神經元﹐無論是在研究上﹐或甚至未來在疾病治療上﹐都有很大的意義。
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　　關於激活單一神經元﹐Ed Boyden 和 Karl Deisseroth曾想過許多方法﹐包括讓特定神經細胞表現受張力調控的通道蛋白﹔或將磁珠附在通道上﹐利用磁場調控離子通道等等﹔2000年的晚春﹐Boyden開始對受光通道蛋白產生興趣。光通道蛋白是一種受特定波長的光刺激會打開的離子通道。當時人們已經分別在一種綠藻萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和一種古細菌上(Natronomonas pharaonis)發現這種蛋白﹐並研究出讓在這種蛋白在一般細胞生長環境也能良好表現的方法。
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　　Boyden想﹐如果能將這種光通道蛋白利用基因工程的方式表現在特定神經元上﹐就能利用光照改變特定神經元的活性。
活化﹕光→特定神經元上的正離子通道打開→膜電位改變(上升)→神經元產生動作電位
抑制﹕光→特定神經元上的氯離子通道打開→膜電位改變(下降)→神經元活性被抑制
　　講到這裡﹐你是否好奇為什麼Boyden會想到用磁場和光刺激呢？原因是細胞或神經元的尺度很小(約幾十微米)﹐而離子通道(約幾十奈米)更小﹐要用接觸力控制﹐就必須把機械做到奈米尺度﹐這樣困難度相當高。但如果我們能用光﹑聲音﹑或電磁場等方式控制的話﹐就沒有刺激範圍大小的限制。因為我們只需要把我們想刺激的細胞「訂做」成會對特定刺激(如﹕光﹑聲音或電磁場)有反應就可以了。
　　這樣雖然大家都被光照到了﹐卻只有某些會對光反應的細胞會產生反應﹐在這個情況下是因為光通道蛋白的打開﹐特定離子流入神經元﹐神經元的膜電位改變﹐因此活性跟著受到改變。
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　　在2004年8月4日的深夜﹐Boyden在基因工程嵌入光敏感通道-2(Channelrhopsin-2﹐一種受光調控的正離子通道)的神經細胞上紀錄到了第一個跟著光波律動的神經訊號。這種能刺激特定神經種類的方法﹐打開了研究神經迴路的新紀元。從此我們不只能夠研究某一神經核的功能﹐更能研究神經核中不同種類神經元(如多巴胺神經元和血清素神經元)所分別扮演的角色。
　　常用的光通道蛋白可以分成兩種﹐一種是從綠藻分離出的光敏感通道蛋白(Channelrhodopsin﹔ChR)﹐另一種是從古細菌分離出的嗜鹽視紫紅質(Halorhodopsin﹔HR)。ChR是一種陽離子通道﹐在藍光(波長約470nm)照射下打開﹐可以讓所有帶正電的離子通過﹐綜合不同陽離子進進出出產生的電位變化﹐總體來說會造成細胞膜去極化﹐產生動作電位。
　　因為ChR產生的變化非常明顯(產生動作電位進而有明顯下游反應)﹐所以ChR是目前最常被使用的光通道蛋白。相反的﹐HR是一種受光控制的氯離子通道﹐受黃光(波長約590nm)激發打開﹐氯離子因為濃度差的吸引力大於膜內負電位的斥力﹐所以會傾向流入細胞﹐造成細胞過極化。於是有HR的細胞受了光照後就會較難以產生動作電位(因為膜電位距離閾值更遠了)﹐形同活性被抑制。
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　　其實﹐兩種光通道蛋白在研究上都是很重要的。我們可以利用ChR使特定神經興奮﹐看動物的反應(譬如開始唱歌﹑翻滾)。另一方面﹐我們也可以利用HR抑制特定神經﹐去看動物的行為是否會因此而改變。
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　　從前為了量測或刺激特定細胞只能量測被麻醉的老鼠的腦或是腦的切片的神經活動。但不同狀態下(譬如被麻醉)的神經活性可能非常不同﹐所以我們得到的結果僅能說是在特定狀況下(如被麻醉時)神經活動情況。這種裝置和技術﹐使科學家可以研究活蹦亂跳的老鼠的腦部活動﹐研究結果將能更貼近正常狀態下的神經表現。

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