空間光遺傳學(xué)技術(shù)的研究進(jìn)展與前沿應(yīng)用

光遺傳學(xué)（Optogenetics）是一種結(jié)合光學(xué)和遺傳學(xué)的技術(shù)。首先將編碼光敏感蛋白（如興奮性通道ChR2、抑制性通道NpHR3.0等）的基因?qū)�入特定類型的神�?jīng)細(xì)胞中，使其表達(dá)相應(yīng)的光控離子通道或光敏受體。這些光敏感蛋白在特定波長光照下可選擇性調(diào)控離子的跨膜流動(dòng)，引起細(xì)胞去極化或者超極化，從而興奮或者抑制神經(jīng)元活動(dòng)。通過這種“光-電”耦合機(jī)制，研究人員能夠以毫秒級(jí)精度、細(xì)胞類型特異性的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的精準(zhǔn)興奮或抑制調(diào)控。

空間光遺傳是光遺傳學(xué)的一種擴(kuò)展，結(jié)合了空間光學(xué)技術(shù)和光遺傳學(xué)的概念，允許在更細(xì)致的空間尺度上進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控。通過使用微型光源、光纖或空間光調(diào)制器，可以在局部區(qū)域內(nèi)精確調(diào)控神經(jīng)元，而不會(huì)影響周圍的細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定神經(jīng)回路或區(qū)域的精準(zhǔn)干預(yù)，除了調(diào)控單個(gè)神經(jīng)元外，空間光遺傳學(xué)還可以用于研究復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，例如通過同時(shí)激活多個(gè)區(qū)域來觀察它們的相互作用。

Butler等人(2016) [1]通過空間光遺傳結(jié)合腦片電生理技術(shù)，研究了海馬CA1區(qū)γ振蕩的起源。利用Mightex Polygon系統(tǒng)精準(zhǔn)照射表達(dá)ChR2的特定細(xì)胞層，他們證實(shí)了CA1局部環(huán)路足以在光驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生γ振蕩，明確了該腦區(qū)作為γ節(jié)律內(nèi)源性起搏器之一的關(guān)鍵機(jī)制。

圖一：海馬特定層的不同光刺激照射，對(duì)應(yīng)的γ振蕩的活動(dòng)

Van Haren等人(2022) [2]開發(fā)了一種基于Polygon靶向光刺激的新型空間光遺傳系統(tǒng)，用于精確滅活關(guān)鍵的微管正端結(jié)合蛋白EB1。該系統(tǒng)通過干擾EB1介導(dǎo)的微管結(jié)合，從而影響正端追蹤蛋白(+TIPs)募集到微管的正端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微管組織動(dòng)態(tài)的高時(shí)空分辨率操控。

圖二：π-EB1 H1299細(xì)胞在黑暗中以及僅對(duì)紡錘體右側(cè)進(jìn)行局部藍(lán)光照射時(shí)，微管組織的動(dòng)態(tài)

Kauvar等人（2020）[3]采用Mightex Polygon光刺激系統(tǒng)，結(jié)合其自主研發(fā)的閉環(huán)校準(zhǔn)技術(shù)，在清醒小鼠行為任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)皮層區(qū)域活動(dòng)的高時(shí)空精度光遺傳學(xué)抑制。該技術(shù)使靶向幾乎整個(gè)背側(cè)皮層成為可能，有力推動(dòng)了大規(guī)模皮層網(wǎng)絡(luò)功能的研究。

圖三：校準(zhǔn)系統(tǒng)，MightexPolygon光刺激系統(tǒng)使他們能夠靶向幾乎整個(gè)背側(cè)皮層

Vijayalakshmi等人（2025）[4]研究了在小鼠腦片中，記憶痕跡神經(jīng)元的側(cè)向抑制作用。采用了空間光遺傳的方法，在三個(gè)不同的遞減圓形感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)對(duì)顆粒細(xì)胞GC胞體（表達(dá)ChR2）進(jìn)行光激活，并在刺激區(qū)域外未標(biāo)記的GC中記錄IPSC。

圖四：對(duì)隨機(jī)一組顆粒細(xì)胞的局部激活產(chǎn)生強(qiáng)烈的反饋抑制

Yu‐Chun等人（2024）[5]運(yùn)用了一種名為RIVET（靶向囊泡在結(jié)合軌道上的快速固定）的新方法來研究細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸。RIVET利用靶向囊泡與特定細(xì)胞骨架之間的可誘導(dǎo)二聚化，能夠在數(shù)秒內(nèi)以可逆的方式在時(shí)空上阻斷多種細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸途徑。其高度特異性的擾動(dòng)使得實(shí)時(shí)解析不同運(yùn)輸途徑之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系成為可能。

圖五：利用光遺傳學(xué)快速可逆地固定感興趣區(qū)域

Nathan D Lord等人（2025）[6]建立了早期胚胎發(fā)育信號(hào)活動(dòng)的空間模式，利用高分辨率時(shí)空調(diào)控工具擾動(dòng)形態(tài)發(fā)生素信號(hào)，有助于揭示胚胎細(xì)胞如何解碼這些信號(hào)以做出適當(dāng)?shù)拿�運(yùn)決定。利用模式化照明在Nodal信號(hào)突變體中生成合成信號(hào)模式，挽救了幾個(gè)特征性的發(fā)育缺陷。為了展示空間模式化能力，將光圖案投射到球形斑馬魚胚胎群上，通過pSmad2免疫染色讀取，每個(gè)圖案位置均可生成精確的Nodal信號(hào)模式。

圖六：用于調(diào)控Nodal信號(hào)通路時(shí)空模式的平臺(tái)

通過以前的科研工作可知，光遺傳學(xué)和空間光遺傳的結(jié)合為理解神經(jīng)系統(tǒng)、開發(fā)治療策略提供了強(qiáng)大的工具。這些技術(shù)不僅深化了對(duì)神經(jīng)回路功能的理解，也在基礎(chǔ)和臨床研究中展現(xiàn)出巨大的潛力。

而以上研究中用到的空間光遺傳設(shè)備是Polygon DMD 圖案照明器，是加拿大Mightex公司的產(chǎn)品，能夠以亞細(xì)胞分辨率對(duì)光進(jìn)行精確的時(shí)空控制，使其成為生命科學(xué)研究的完美照明工具。Polygon 采用數(shù)字微鏡器件 (DMD) 技術(shù)，可同時(shí)照亮多個(gè)區(qū)域。DMD 由數(shù)十萬個(gè)微鏡組成，每個(gè)微鏡均可單獨(dú)開啟，將光反射到樣品上。對(duì)于在體的研究，Mightex公司也有oasis系列的產(chǎn)品，用于在體的鈣成像和光遺傳研究，來了解神經(jīng)回路與行為之間的聯(lián)系，探測(cè)復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。

圖七：Polygon DMD 圖案照明器以及在體光遺傳和鈣成像

參考文獻(xiàn)：
[1] Butler JL, Mendonça PR, Robinson HP, Paulsen O. Intrinsic Cornu Ammonis Area 1 Theta-Nested Gamma Oscillations Induced by Optogenetic Theta Frequency Stimulation. J Neurosci. 2016 Apr 13;36(15):4155-69.
[2] Dema A, van Haren J, Wittmann T. Optogenetic EB1 inactivation shortens metaphase spindles by disrupting cortical force-producing interactions with astral microtubules. Curr Biol. 2022 Mar 14;32(5):1197-1205.e4. doi: 10.1016/j.cub.2022.01.017. Epub 2022 Jan 31.
[3] Kauvar IV, Machado TA, Yuen E, Kochalka J, Choi M, Allen WE, Wetzstein G, Deisseroth K. Cortical Observation by Synchronous Multifocal Optical Sampling Reveals Widespread Population Encoding of Actions. Neuron. 2020 Jul 22;107(2):351-367.e19.
[4] Dovek L, Ahmadi M, Marrero K, Zagha E, Santhakumar V. Cellular and circuit features distinguish mouse dentate gyrus semilunar granule cells and granule cells activated during contextual memory formation. Elife. 2025 Aug 27.
[5] Chen SC, Zeng NJ, Liu GY, Wang YC, Lin YC. Precise Control of Intracellular Trafficking and Receptor-Mediated Endocytosis in Living Cells and Behaving Animals. Adv Sci (Weinh). 2024 Dec;11(45):e2405568.
[6] McNamara HM, Guyer AM, Jia BZ, Parot VJ, Dobbs CD, Schier AF, Cohen AE, Lord ND. Optogenetic control of Nodal signaling patterns. Development. 2025 May 1;152(9):dev204506.

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