用于控制单个神经元的下一代光遗传学分子

麻省理工学院和巴黎笛卡尔大学的研究人员开发了一种新的光遗传学技术，该技术可以将光雕刻到具有工程光敏分子的单个细胞上，从而可以精确地刺激单个神经元。

迄今为止，使用光遗传学靶向单个细胞并精确控制激活的时间和位置一直是一个挑战。这一新进展为研究单个细胞以及这些细胞之间的联系如何产生特定行为(例如发起运动或学习新技能)铺平了道路。

“理想情况下，您想做的就是像钢琴一样弹奏大脑。您可能希望独立控制神经元，而不是像传统的光遗传学那样让它们全都同步前进，但是通常大脑不会这么做。”麻省理工学院脑与认知科学和生物工程副教授埃德·博伊登(Ed Boyden)说道。 ，也是麻省理工学院媒体实验室和麦戈文脑科学研究所的成员。

这项新技术依靠一种可以嵌入神经元细胞体内的新型光敏蛋白，再加上可以将光聚焦在单个细胞上的全息光整形技术。

法国国家科学研究中心(CNRS)的研究主任，巴黎笛卡尔大学神经光子学实验室的主任Boyden和Valentina Emiliani是该研究的资深作者，该研究发表在11月13日的《自然神经科学》上。主要作者是麻省理工学院的博士后Or Shemesh和CNRS的博士后Dimitrii Tanese和Valeria Zampini。

精确控制

十多年前，博伊登(Boyden)和他的合作者首先开创了使用称为微生物视蛋白的光敏蛋白来操纵神经元电活动的方法。这些视蛋白可以嵌入神经元的膜中，当它们暴露于某些波长的光时，它们会沉默或刺激细胞。

在过去的十年中，科学家们使用这种技术来研究神经元群体在脑部任务(如记忆记忆或习惯形成)过程中的行为。传统上，由于同时照射到大脑的光线会撞击较大的区域，因此许多细胞会同时成为目标。但是，正如博伊登(Boyden)所指出的，即使神经元彼此靠近，它们也可能具有不同的功能。

“两个相邻的细胞可以具有完全不同的神经密码。他们可以做完全不同的事情，对不同的刺激做出反应，并在不同的任务中扮演不同的活动方式。”他说。

为了实现对单个细胞的独立控制，研究人员结合了两项新技术：定位更强大的视蛋白和优化的全息光整形显微镜。

对于视蛋白，研究人员使用了一种名为CoChR的蛋白质，博伊登实验室于2014年发现了该蛋白质。他们之所以选择该分子，是因为它在光的作用下会产生非常强的电流(约比Channelrhodopsin-2产生的电流强十倍)。第一种用于光遗传学的蛋白质)。

他们将CoChR融合到一种小蛋白上，该蛋白将视蛋白引导到神经元的细胞体中，并远离从神经元体延伸出来的轴突和树突。这有助于防止神经元之间的串扰，因为激活一个神经元的光还可以撞击与目标神经元缠绕的其他神经元的轴突和树突。

博伊登然后与艾米利亚尼(Emiliani)合作，将这种方法与她先前开发的光刺激技术相结合，这种技术被称为双光子计算机生成全息(CGH)。这可用于创建包围目标细胞的三维光雕塑。

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