編者按：
? ? ? ?在對精神和神經疾病發病機制的認識中，最重要的是確定介導疾病發生的神經環路，并通過精確干預這些環路來確定神經疾病和行為障礙直接因果關系。然而，要達到對神經精神疾病相關神經環路功能的精細化認識，傳統的研究手段具有巨大的挑戰性。
? ? ? ?光遺傳學可利用光激活視蛋白的手段，在高細胞特異性和時間特異性的程度上操縱細胞活性。光遺傳學工具提供了一種建立大腦活動與健康、疾病行為之間因果關系的新方法。雖然沒有動物模型能精確捕捉人類疾病，但通過光遺傳學方法誘發和調節，可能使動物出現重現疾病癥狀的行為，包括與焦慮、恐懼、抑郁、成癮、自閉癥和帕金森癥相關的行為。光遺傳學的迅速發展為在動物模型中對潛在腦疾病的回路進行因果和精確剖析創造了新的機會。小編在這里給大家推薦Tye KM和Deisseroth K.發表在《Nature Reviews Neuroscience》題為“Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models”綜述文章，作者系統介紹了光遺傳學如何運用于鑒別恐懼、焦慮、抑郁、精神分裂癥、成癮、社交功能障礙、帕金森病和癲癇相關的動物模型的神經環路，并討論了將光遺傳學與電生理、藥理學和行為評估相結合，以特定細胞類型或神經環路為治療靶點的新策略。
一、光遺傳學的研究進展
? ? ? ?光遺傳學的工具箱最主要的是一系列擴展功能的視蛋白變體，這些視蛋白在調控細胞活動中具有明顯的優勢，工具箱還包括光傳遞方案、病毒靶向策略和轉基因動物靶向策略，這些工具箱能解析神經精神疾病相關行為環路的基礎性方案，在這些工具箱基礎上的研究進展推動了神經行為科學的不斷進步。
1.新型視蛋白變體
? ? ? ?早期的光遺傳工具，如視紫紅質通道蛋白2(ChR2)可在時間分辨率尺度上調節動作電位發生，鹵視紫紅質蛋白(NpHR)和質子泵則可使細胞膜超極化，抑制動作電位的產生。在此基礎上不斷對視蛋白進行改造而產生的光遺傳學視蛋白工具箱，在實驗設計上提供了更大的靈活性和更精細化的操作。
? ? ? ?基因工程產生的視紫紅質通道蛋白變體(ChETA家族和ChIEF)可在更短的時間范圍內調節神經元動作電位的產生。OptoXRs(視紫質受體嵌合體)可通過光激活啟動特定的G蛋白偶聯信號級聯。穩定階躍函數視蛋白(SSFO)是ChR2的雙突變體(Asp156Ala和Cys128Ser)，對光的敏感度比其他視蛋白變體更高，因此能夠以非侵入性的方式激活表達SSFO的神經元。
圖1. 光遺傳學視蛋白工具箱
2.光遺傳學與影像學技術的結合
? ? ? ?功能性磁共振成像(fMRI)與光遺傳操作的結合被稱為ofMRI，該結合方案很好地解釋了fMRI血氧水平依賴信號（BOLD信號）的神經起源，即局部興奮神經元中神經元活動的增加是觸發BOLD信號前提條件，并且該方案還有可能精確分析光遺傳操作對大腦整體活動的影響。
3.轉基因嚙齒動物在光遺傳學中的應用
? ? ? ?表達視蛋白的遺傳特異性工具正在不斷被改進，大量Cre重組酶驅動的小鼠品系已經被用于光遺傳學相關研究中。目前轉基因小鼠品系在研究神經精神疾病相關的細胞、環路和行為方面展現出強大的實用性，但由于缺乏在特定細胞類型中表達視蛋白的病毒工具，光遺傳學在大鼠身上的細胞特異性研究仍存在困難。
二、光遺傳學在行為學研究中的應用
? ? ? ?光遺傳學不僅在研究特定細胞類型和特定投射靶向策略方面展現前所未有的精度，光遺傳學在時間尺度上也已經開始改變及重塑行為分析模式。例如：傳統藥理學研究只能單向操作對行為學進行研究，而光遺傳學由于其精確激活和可逆性，因此可以將多個時間點的行為檢測集中在一個時間段內進行。條件位置偏好(CPP)需要經過長期的訓練形成才能形成獎賞相關的行為記憶，隨后在行為學檢測中才能判斷是否形成了條件位置偏好。而光遺傳學由于其靈活性，當動物在進入特定的小隔間時，采用光遺傳學激活神經元來形成特定的位置偏好，因此能大大縮短傳統行為檢測的時間，并通過改變光刺激模式，收集到更豐富的數據信息。
三、在體光遺傳學的設計
? ? ? ?為了更直接地明確介導精神疾病行為的神經環路，需要進行操作在體光遺傳學，而在設計在體光遺傳學的時候需要有一整套考慮因素。例如在選擇視蛋白時，光敏感度和光激活程度之間可能存在負相關；為了更精確的進行時間調節，可能需要進行更大范圍的神經元群體的激活等。
方框1. 腦疾病研究中在體光遺傳學實驗的設計流程
? ? ? ?此外，視蛋白靶向策略對實驗結果也有很大的影響，最常用的方案是病毒靶向策略，通過腦區注射將視蛋白限制在一定范圍內表達，當病毒經過自我復制后，病毒便具有示蹤能力，通過順行示蹤將視蛋白輸送到神經元投射的下游腦區。目前有許多啟動子可將病毒特異性表達在靶細胞上，最常用的病毒載體是慢病毒和腺相關病毒。對于無法包裝到病毒載體的啟動子序列，Cre重組酶驅動與依賴Cre的視蛋白表達的病毒載體結合是一個有效的替代方案。此外，構建細胞特異性的轉基因小鼠，在某些類型的細胞中組成型表達ChR2，可以避免病毒感染過程的負面影響。
圖2. 在體光遺傳學的靶向策略
四、介導焦慮和恐懼的神經環路
? ? ? ?焦慮障礙是最常見的一類精神疾病，包括廣泛性焦慮障礙、驚恐障礙、創傷后應激障礙(PTSD)和恐懼癥等。目前臨床上焦慮障礙的治療方案的療效并不明顯。而通過動物焦慮模型中建立投射特異性光遺傳靶向方案，已經成功識別出杏仁核相關神經環路可以快速和可逆地調節自由活動小鼠的焦慮水平?；淄鈧刃尤屎?BLA)的投射神經元有許多下游靶點，包括杏仁核的中央外側核和中央內側核，伏隔核(NAc)、前額葉皮質、終紋床核。因此，光遺傳靶向特定神經投射是解決杏仁核特定環路引起的內源性焦慮的最有效途徑。
? ? ? ?恐慌癥的特點是強烈的恐懼和自主神經的喚醒，可由先前與恐懼相關的環境中的非危險信號所觸發。長期以來，人們一直認為杏仁外側核是處理恐懼的關鍵腦區，光遺傳選擇性地激活杏仁外側核的谷氨酸能錐體神經元，可引起小鼠強烈的恐懼。
圖3. 利用光遺傳學對杏仁核的微環路進行功能解析
五、介導藥物成癮的神經環路
? ? ? ?藥物成癮是一種慢性復發性疾病，其特征是強迫性尋覓藥物和對藥物的渴求。傳統觀點認為成癮“劫持”了大腦的自然獎賞系統，因此，了解介導獎賞的神經環路對于理解藥物成癮的病理生理學機制至關重要。中腦邊緣多巴胺系統參與獎勵信息的處理過程，其中NAc高度參與獎勵信息的處理和其他與成癮有關的行為，但對于介導這些行為的神經環路機制并不清楚。
? ? ? ?通過光遺傳學研究發現NAc中表達不同多巴胺受體亞型的神經元對可卡因的位置偏愛有不同的調節作用：激活D1-MSN(中等有棘神經元)增強可卡因的CPP，而激活D2-MSN則抑制可卡因CPP。此外，NAc的膽堿能神經元參與調節可卡因獎賞相關位置偏好。
圖4. 利用光遺傳學對中腦邊緣多巴胺系統環路進行功能解析
六、介導抑郁癥的神經環路
? ? ? ?抑郁癥的終生患病率是13%，但抑郁癥相關的情緒障礙的病理生理機制尚不清楚。目前大多數的抗抑郁藥物治療效果差，即使藥物治療有效，也需要在服藥后4-6周才能顯示出療效。臨床上深部腦刺激(DBS)對改善抑郁癥癥狀有明顯的療效，但是傳統的研究手段對于研究改善抑郁癥背后的機制存在較大的困難。
? ? ? ?光遺傳學技術的運用可有助于了解DBS改善抑郁癥背后的神經環路機制，通過光遺傳學在抑郁表型小鼠的前額葉皮質錐體神經元的胞體表達ChR2，光激活ChR2則可產生明顯的抗抑郁作用。前額葉皮質投射到中縫背側核、中縫內側核、杏仁核和其他被認為參與情緒調節的腦區，使用光遺傳學的靶向策略解析這些投射功能有助于開發更有效的抗抑郁治療方案。
七、介導自閉癥和精神分裂癥的神經環路
? ? ? ?臨床上自閉癥和精神分裂癥患者表現出各種各樣的癥狀，精神分裂癥的癥狀包括說話和行為混亂、幻覺、妄想和社交功能障礙等消極癥狀。這可能與神經環路興奮和抑制平衡失衡以及皮質神經網絡的振蕩改變有關。目前精神分裂癥的動物模型仍在優化中，但基礎研究發現新皮質小清蛋白神經元的數量和功能減少，導致神經環路的興奮抑制失衡和神經網絡震蕩的改變，可能是精神分裂癥發病的主要原因。
? ? ? ?自閉癥癥狀的復雜性和多變性使其研究變得異常困難，但有一種理論認為，細胞興奮和抑制失衡(興奮-抑制失衡)可能是自閉癥發病原因。光遺傳學工具通過誘導興奮-抑制失衡，提供了實證檢驗這個觀點的能力。光遺傳學在前額葉皮層的谷氨酸能神經元中表達SSFO，增加谷氨酸能神經元的興奮性，導致伽馬頻段(30-80赫茲)的節律性活動增加，驅動了自閉癥的發生。
八、介導神經功能障礙的環路
? ? ? ?光遺傳學方法已經被應用于各種神經疾病的基礎性問題的研究，如帕金森氏病，癲癇，神經元功能喪失導致的失明，呼吸衰竭和神經精神性睡眠障礙。也加深了人們對運動神經環路的理解。
? ? ? ?例如，基底節通過促進運動的直接通路和抑制運動的間接通路影響運動行為。帕金森氏病是一種神經退行性疾病，以僵硬、震顫和運動緩慢為主要特征。丘腦底核(STN)的DBS在治療與帕金森氏病相關的運動障礙方面具有顯著的療效，選擇性光遺傳控制STN中的傳入纖維對偏側帕金森病大鼠模型的運動行為具有明顯的治療作用。
圖5. 利用光遺傳學對基底節神經環路進行功能解析
九、結論
? ? ? ?本綜述對近期光遺傳學工具在神經精神疾病相關研究的進展進行了系統的總結。光遺傳學在精細化調控方面的巨大優勢，推進了神經精神疾病相關神經環路的功能解析，加深了人們對腦相關疾病背后的病理生理學進程的認識。
? ? ? ?盡管已經取得了豐富的研究成果，但是對于光遺傳學的進一步研究仍有很多工作要做。比如光遺傳學解析非人靈長類動物中神經精神疾病的神經環路機制，光遺傳學視蛋白的進一步完善以及更完善的神經元靶向策略等。鑒于神經精神疾病具有很高的共同發病率，運用更完善的光遺傳學策略解析不同疾病的共同特征，會成為簡化神經科學相關研究范式的重要手段。
長按下載原文
我司相關產品和服務推薦（更多產品、服務及詳情請咨詢我們！）
我司重磅推出環路示蹤，光遺傳，鈣記錄，膜片鉗，電生理等動物實驗服務！
公司相關業務：
神經環路示蹤病毒載體、基因編輯（敲入、敲除、點突變、敲低）、基因過表達/干擾服務、行為學小鼠模型構建、干細胞誘導分化、整包服務等。