<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1670460011728/1670460011728.jpg" width="808" height="538" />近20年前，科學(xué)家們發(fā)明了通過照射神經(jīng)元來刺激或抑制神經(jīng)元的方法。這種被稱為光遺傳學(xué)的技術(shù)，使研究人員能夠發(fā)現(xiàn)特定神經(jīng)元的功能，以及它們?nèi)绾闻c其他神經(jīng)元通信以形成電路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項技術(shù)的基礎(chǔ)上，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計出一種方法來實現(xiàn)神經(jīng)元活動的長期變化。利用他們的新策略，他們可以利用光照來改變神經(jīng)元膜的電容，從而改變神經(jīng)元的興奮性(它們對電信號和生理信號的反應(yīng)強弱)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>神經(jīng)元興奮性的變化與大腦中的許多過程有關(guān)，包括學(xué)習和衰老，也在一些大腦疾病中觀察到，包括阿爾茨海默病。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這種新工具旨在以光可控和長期的方式上下調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性，這將使科學(xué)家們能夠直接建立各種神經(jīng)元類型的興奮性與動物行為之間的因果關(guān)系，&rdquo;麻省理工學(xué)院托馬斯D.和弗吉尼亞卡伯特化學(xué)助理教授、麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)布羅德研究所的成員小王說。&ldquo;我們的方法在疾病模型中的未來應(yīng)用將告訴我們，微調(diào)神經(jīng)元的興奮性是否有助于將異常的大腦回路重置為正常。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>王和哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的助理教授劉佳是這篇論文的資深作者，該論文發(fā)表在今天的《科學(xué)進展》雜志上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Chanan Sessler，麻省理工學(xué)院化學(xué)系研究生;博德研究院博士后周一鳴;和哈佛大學(xué)研究生王文博是這篇論文的主要作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>膜處理</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>光遺傳學(xué)是科學(xué)家用來操縱神經(jīng)元活動的一種工具，通過改造神經(jīng)元來表達光敏離子通道。當這些經(jīng)過改造的神經(jīng)元暴露在光線下時，通過通道的離子流動的變化會抑制或增強神經(jīng)元的活動。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通過使用光，你可以打開或關(guān)閉這些離子通道，這反過來會刺激或沉默神經(jīng)元。這允許實時快速響應(yīng)，但這意味著如果你想控制這些神經(jīng)元，你必須不斷地照亮它們。&rdquo;Sessler說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究小組著手修改這項技術(shù)，使其能夠產(chǎn)生更持久的興奮性變化，而不是短暫的激活或抑制活動。為了做到這一點，他們專注于改變細胞膜的電容，這是細胞膜導(dǎo)電能力的關(guān)鍵決定因素。</p> <p>&nbsp;</p> <p>當細胞膜的電容增加時，神經(jīng)元變得不那么容易興奮&mdash;&mdash;也就是說，不太可能對來自其他細胞的輸入做出反應(yīng)而產(chǎn)生動作電位。當電容降低時，神經(jīng)元變得更容易興奮。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;神經(jīng)元的興奮性由兩種膜特性控制:電導(dǎo)率和電容。雖然許多研究都集中在離子通道執(zhí)行的膜導(dǎo)電性上，但自然發(fā)生的髓鞘形成過程表明，調(diào)節(jié)膜電容是在大腦發(fā)育、學(xué)習和衰老過程中調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性的另一種有效方法。所以，我們想知道是否可以通過改變膜電容來調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性。&rdquo;劉說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在斯坦福大學(xué)做博士后的時候，劉和他的同事們證明了他們可以通過誘導(dǎo)神經(jīng)元在細胞膜上組裝導(dǎo)電或絕緣聚合物來改變神經(jīng)元的興奮性。在2020年發(fā)表的那項研究中，劉使用了一種稱為過氧化物酶的酶來組裝聚合物。然而，這種方法不能精確控制聚合物的聚集位置。這也帶來了一些風險，因為該反應(yīng)需要過氧化氫，而過氧化氫會損害細胞。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了克服這些限制，劉在哈佛大學(xué)的實驗室與王在麻省理工學(xué)院的實驗室合作，嘗試了一種新的方法。研究人員沒有使用過氧化物酶，而是使用了一種經(jīng)過基因工程改造的光敏蛋白，這種蛋白可以催化聚合物的形成。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員利用在實驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的神經(jīng)元，改造細胞，使其表達這種被稱為miniSOG的光敏蛋白。當被藍色波長的光激活時，miniSOG會產(chǎn)生稱為活性氧的高活性分子。與此同時，研究人員將細胞暴露在導(dǎo)電聚合物(稱為PANI)或絕緣聚合物(稱為PDAB)的構(gòu)建塊中。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在幾分鐘的光照下，活性氧刺激這些積木組裝成PDAB或PANI。</p> <p>&nbsp;</p> <p>使用一種稱為全細胞膜片鉗的技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，具有導(dǎo)電PANI聚合物的神經(jīng)元變得不那么興奮，而具有絕緣PDAB聚合物的神經(jīng)元變得更興奮。他們還發(fā)現(xiàn)，長時間的光照會產(chǎn)生更大的興奮性變化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;光遺傳聚合的優(yōu)勢是對聚合反應(yīng)的精確時間控制，這允許可預(yù)測的膜性能的逐步微調(diào)。&rdquo;周說。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>持久的變化</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員表明，興奮性的變化持續(xù)了三天，這是他們在實驗室培養(yǎng)皿中保持神經(jīng)元存活的時間。他們現(xiàn)在正致力于改進這項技術(shù)，使其能夠用于腦組織切片，然后，他們希望，在動物的大腦中，如老鼠或秀麗隱桿線蟲。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員說，這樣的動物研究有助于闡明神經(jīng)元興奮性的變化是如何影響多發(fā)性硬化癥和阿爾茨海默病等疾病的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>王文博說:&ldquo;如果我們知道某個神經(jīng)元群體在某種特定疾病中具有較高或較低的興奮性，那么我們就可以通過將這些只在該神經(jīng)元類型中表達的光敏蛋白之一轉(zhuǎn)導(dǎo)給小鼠來調(diào)節(jié)該神經(jīng)元群體，然后看看這是否對行為產(chǎn)生預(yù)期的影響。&rdquo;&ldquo;在不久的將來，我們更多地將其作為研究這些疾病的模型，但你可以想象潛在的治療應(yīng)用。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究由塞爾學(xué)者計劃、布羅德研究所斯坦利精神病學(xué)研究中心、空軍科學(xué)研究辦公室青年研究員計劃、國家科學(xué)基金會通過哈佛大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心以及哈佛大學(xué)院長有前途獎學(xué)金競爭基金資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>