PLoS ONE:光遗传学技术让身体随光线舞动
环球科学 · 2014/09/22
麻省理工学院(MIT)的神经学家首次证明,他们能够利用光遗传学的相关技术来控制肌肉运动——这项技术允许科学家用光控制神经元的电脉冲——进而控制处于清醒和警觉状动物脊髓。

图片来源:llustration: Jose-Luis Olivares/MIT

利用光遗传学的相关技术来控制肌肉运动这项研究由MIT的Emilio Bizzi教授领导,研究者将一种可以提升神经活跃性的光敏感蛋白插入老鼠脊髓神经元中。用蓝光照射动物脊髓,这时它们的后腿就彻底无法活动了,不过这种变化是可逆的。研究人员认为,这项发表在6月25日PLOS One期刊上的发现,为研究控制协调运动和处理感觉的复杂脊髓回路提供了新方法。

在这项研究中,Bizzi及MIT麦戈文脑研究所博士后Vittorio Caggiano,利用光遗传学去探索抑制性中间神经元及其功能,这些神经元与脊髓中其他神经元会形成一个回路,来执行来自脑部的命令,同时也输入来自四肢的感觉信息。

早前,神经科学家们用电刺激或者药物干预去控制神经元活动,试图弄清他们的功能。这些研究确实揭示了大量脊髓控制的规律,但这些研究方法很难更精确地研究特定的神经元子集。

现在,光遗传学可以帮助科学家借助基因手段表达光敏感蛋白,进而控制特定类型的神经元。这些称为视蛋白的蛋白质,如同离子通道或离子泵,可以调节神经元电活跃度。受到光照时,一部分视蛋白活性受到抑制,另一部分则被激活。

“利用光遗传学,你可以攻击一个其细胞相似度高的系统。对我们而言,若能理解此系统如何运作将会是一个巨大的变革。”Bizzi说道,他是MIT麦戈文研究所成员之一。

肌肉控制

脊髓中的抑制神经元抑制肌肉收缩,这对维持平衡和协同运动尤为重要。比如,当你将苹果放入口中时,三头肌放松,二头肌收缩。抑制神经元也被认为与快速眼动(REM)睡眠阶段的肌肉收缩有关。

为了研究抑制神经元功能的更多细节,研究人员采用了MIT教授同时也是论文作者GuopingFeng培育的小鼠。这些小鼠体内的抑制脊髓神经元会编码一种叫做紫红质通道蛋白2的视蛋白。遇到蓝光照射时,此种视蛋白会刺激神经活动。除此,他们还从不同的方位对脊髓进行照射以观察神经兴奋效应。

当胸部脊髓的一小部分区域抑制神经元在可自由活动的小鼠中被激活时,其后腿运动停止。可见,胸椎抑制神经元将抑制信息传递到了脊髓末端,Caggiano解释说。令人惊奇的是,激活抑制神经元不会影响感觉信息从四肢到脑的传递,或是常规的反射。

“这个能产生完全抑制效果的脊柱位置是个全新的发现,”Caggiano说,“其他科学家从未发现这里存在一个横向的抑制,而影响仅局限于运动行为,而不会对感觉行为造成影响。”

“光遗传学的出奇应用引出了其他许多有趣的问题,” Simon Giszter说道,他是德雷塞尔大学神经生物学与解剖学教授,并非研究组成员。诸多问题的关键是:这是否是一种扮演全局'杀死开关'机制,或是抑制神经元能形成一种模块,它参与了更多的选择性抑制活动。

光遗传学对这类研究大有裨益,MIT研究团队希望能探索出其他类型脊髓神经元的功能。同时,他们计划探究脑输入是如何影响这些脊髓回路的。

“研究的拓展并对这些回路的解密会是很有趣的,我们会从全局出发去探究这些抑制系统,”Caggiano解释说,“进一步的研究,我们会侧重研究脊髓中单个神经元对四肢控制和行动控制的具体作用。”

延伸阅读:Controlling body movement with light: Neuroscientists inhibit muscle contractions by shining light on spinal cord neurons

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