譚 晶 李騰飛 張 宇 孫 躒 李思博 辛 華

(1. 佳木斯大學(xué)附屬第一醫(yī)院檢驗(yàn)科，黑龍江省，佳木斯 154000 中國(guó)；2. 佳木斯中醫(yī)院 骨三科，黑龍江省，佳木斯 154000 中國(guó)；3. 佳木斯市傳染病醫(yī)院 感染二科，黑龍江省，佳木斯 154000 中國(guó))

1 光遺傳學(xué)介紹

光遺傳學(xué)是一項(xiàng)整合了光學(xué)、軟件控制、基因操作技術(shù)、電生理等多學(xué)科交叉的技術(shù)，讓我們能夠精準(zhǔn)地探究特定的神經(jīng)環(huán)路和大腦功能之間的關(guān)系，這是一個(gè)跨越式的進(jìn)步?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，微生物能夠感知光線，改變細(xì)胞膜狀態(tài)，2005年Karl Deisseroth提出通過在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)光敏蛋白，引起科學(xué)家對(duì)光感細(xì)胞方面的高度關(guān)注。2007年，光遺傳學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠行為的精確控制[1]。此后，研究者發(fā)現(xiàn)了一系列視蛋白家族，如嗜鹽菌視紫紅質(zhì)、細(xì)菌視紫紅質(zhì)、視紫紅質(zhì)和多成分動(dòng)物視蛋白。通過使用基因工程技術(shù)，其被選擇性地植入目標(biāo)的神經(jīng)元亞群中引發(fā)動(dòng)作電位，在同一組織部位既能實(shí)現(xiàn)光發(fā)生控制又能接受檢測(cè)信號(hào)。這些蛋白質(zhì)的離子通道對(duì)不同波段光發(fā)生反應(yīng)，使細(xì)胞膜去極化或者超極化，再綜合行為學(xué)、電生理學(xué)、心理學(xué)等信息集合了解調(diào)控狀態(tài)。從復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)中獲取高分辨率的信息，是光遺傳學(xué)技術(shù)中面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，科學(xué)家又利用生物化學(xué)工程技術(shù)去除脂質(zhì)，將完整的組織轉(zhuǎn)換為納米水凝膠形式，在水凝膠中保持蛋白質(zhì)和細(xì)胞在適當(dāng)?shù)奈恢?稱為CLARITY)，調(diào)控變得更迅速更方便更直觀[2]。光發(fā)生工具迅速發(fā)展，推動(dòng)科學(xué)家對(duì)神經(jīng)在健康和疾病狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)和功能的理解，并且不僅可以應(yīng)用在神經(jīng)元上，還能夠用于基因的控制，為臨床治療提供了一種變革性方法。

2 感覺傳輸系統(tǒng)

感覺細(xì)胞將某些刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)系統(tǒng)的動(dòng)作電位，每一種感覺都有各自獨(dú)特的信息傳導(dǎo)方式。視覺通過光感受器探測(cè)光波；觸覺、聽覺通過機(jī)械感受器探測(cè)皮膚的壓力和內(nèi)耳中的聲波；味覺和嗅覺依賴于味蕾和鼻道中的化學(xué)感受器探測(cè)周圍環(huán)境中的化學(xué)分子。這些化學(xué)感覺是最基礎(chǔ)的感覺，與生俱來。

2.1 視覺

大部分的大腦皮層都會(huì)參與到視覺過程當(dāng)中。光波的頻率決定了光的色調(diào)，光波的振幅決定了光的亮度。光感受器把光能轉(zhuǎn)換成大腦可以理解的神經(jīng)沖動(dòng)，經(jīng)過角膜和瞳孔照射在晶狀體上，投射至視網(wǎng)膜。視網(wǎng)膜內(nèi)有兩種感光細(xì)胞，一類是以視紫紅質(zhì)為感光色素的視桿細(xì)胞，另一類是以視紫藍(lán)質(zhì)為感光色素的視錐細(xì)胞。視網(wǎng)膜的神經(jīng)層有光感受器、雙極神經(jīng)元和節(jié)神經(jīng)元，它們建立了視覺傳導(dǎo)通路，將信號(hào)傳導(dǎo)至大腦視覺皮層。

研究發(fā)現(xiàn)光遺傳學(xué)和雙光子熒光顯微成像等技術(shù)組合可以通過非侵入性的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)神經(jīng)元的操作，在小鼠的大腦皮層上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)[3、4]。在進(jìn)一步攻克了光遺傳學(xué)刺激和成像在清醒獼猴大腦皮層上應(yīng)用的困難后，研究證明了光刺激能給獼猴帶來與視覺刺激相當(dāng)?shù)母兄猍5]。視網(wǎng)膜上的一類感光性神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)包含黑視素，它不能形成視覺，通過表達(dá)抗利尿素激素影響下丘腦的視交叉上核進(jìn)行視覺信息傳遞[6]，它參與了人的晝夜節(jié)律和生物鐘的調(diào)節(jié)[7]。光激活黑視素后導(dǎo)致膜的去極化，觸發(fā)多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)促進(jìn)視神經(jīng)再生，對(duì)視神經(jīng)病變有強(qiáng)的抵抗能力[8]。人工應(yīng)用黑視素可用于控制激素分泌、心肌細(xì)胞收縮和星形膠質(zhì)細(xì)胞等，但尚未發(fā)現(xiàn)與其他感光色素是否存在密切關(guān)系。在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中，以前對(duì)視力恢復(fù)的研究?jī)H限于被切除的視網(wǎng)膜組織的電生理學(xué)記錄，現(xiàn)已有活體研究表明光遺傳療法可以恢復(fù)靈長(zhǎng)類動(dòng)物ipRGCs的反應(yīng)，光發(fā)生刺激與光感受器驅(qū)動(dòng)的效應(yīng)相同,產(chǎn)生正常的感光通路，且在光感受器去除后仍然反應(yīng)[9]。

光遺傳學(xué)技術(shù)在治療失明上已開始臨床前試驗(yàn)，提高了人類治療失明的可能。光遺傳學(xué)不需要復(fù)雜的外科手術(shù)來植入假體，只需一次玻璃體內(nèi)注射就可以使細(xì)胞變的光敏，通過在體內(nèi)研究視網(wǎng)膜水平的修復(fù)，可以直接觀察治療作用下的完整回路，而不是僅得到最終效果。生物相容性高的特點(diǎn)使它更穩(wěn)定，副作用更小，作為視覺治療很有潛力，但其長(zhǎng)期有效性和安全性的評(píng)估仍處于早期階段。

2.2 聽覺

聲音傳播通過空氣震動(dòng)被耳廓捕獲，經(jīng)過外耳道向中耳傳播，與鼓膜發(fā)生碰撞送到鼓室，經(jīng)過放大造成內(nèi)耳液體運(yùn)動(dòng)，一方面基底膜把信號(hào)傳遞給神經(jīng)系統(tǒng)，另一方面維持平衡作用。骨迷路中的每個(gè)半規(guī)管可以探測(cè)不同類型的頭部旋轉(zhuǎn)，液體中的毛細(xì)胞發(fā)送動(dòng)作電位向大腦提供加速度的信息。耳蝸內(nèi)的毛細(xì)胞可以激活離子通道打開，電脈沖由螺旋器經(jīng)聽覺傳導(dǎo)通路到達(dá)大腦皮層。重要的是毛細(xì)胞不能再生，隨著年齡增長(zhǎng)，人的聽力也會(huì)下降。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過電刺激螺旋神經(jīng)元(spiral ganglion neurons，SGNs)，為深度聽力受損患者提供周圍聲音信息，但電流的廣泛傳播激活了大量SGNs亞群，獨(dú)立刺激通道數(shù)量有限，相鄰電極產(chǎn)生電場(chǎng)重疊互相干擾，在噪聲的環(huán)境中對(duì)聲音信號(hào)感知有限。光發(fā)生刺激可以被限制在一定空間中，提高人工聲音編碼的頻譜分辨率，具有更好的空間選擇性，增加獨(dú)立刺激通道的數(shù)量。研究者選擇腺病毒作為視紫紅質(zhì)植入神經(jīng)元的病毒載體，通過特定波長(zhǎng)的光刺激細(xì)胞膜發(fā)生去極化或超極化。在研究成年沙鼠中，刺激單個(gè)SGNs可記錄聽覺神經(jīng)對(duì)光刺激的感知[10]。有針對(duì)性的調(diào)節(jié)聽覺神經(jīng)元的特定亞群，能誘發(fā)聽覺神經(jīng)活動(dòng)性增加[11]。Meng等[12]發(fā)現(xiàn)光遺傳學(xué)技術(shù)中視蛋白的表達(dá)水平是決定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)重要變量，提高視蛋白表達(dá)能提高耳蝸神經(jīng)元的興奮性，實(shí)現(xiàn)特異性刺激SGNs。這些研究有助于光生刺激在聽覺假體的臨床應(yīng)用，將特定頻率的聲音呈現(xiàn)到耳蝸，增強(qiáng)對(duì)語音的辨識(shí)能力，改善聽力。

2.3 嗅覺

氣味由多種氣體分子組成，這種分子在進(jìn)入鼻腔的過程中大部分被鼻毛過濾在外面，少量分子最終到達(dá)深部接觸到嗅上皮，它由數(shù)百萬個(gè)嗅覺神經(jīng)元組成。每個(gè)分子與嗅覺神經(jīng)元上的感受器結(jié)合，攜帶相同受體的氣味受體細(xì)胞將神經(jīng)信號(hào)沿神經(jīng)軸突上行，經(jīng)過篩骨傳遞到大腦中的嗅小球中，每個(gè)嗅小球只激活一個(gè)僧帽細(xì)胞識(shí)別一種化學(xué)物質(zhì)，使人的嗅覺系統(tǒng)中信息傳輸?shù)玫奖３?。神?jīng)元與僧帽細(xì)胞形成突觸，沿嗅束把信號(hào)將信息傳輸?shù)酱竽X嗅覺皮層，大腦最終有意識(shí)地感知到特定的氣味。在氣味感知過程中，通過光遺傳學(xué)技術(shù)有效地檢測(cè)到單個(gè)嗅小球也能引起嗅覺感知，在不同的波段影響下引起不同的行為變化[13]。Boyd等[14]將光敏蛋白轉(zhuǎn)染到小鼠嗅覺皮層椎體細(xì)胞中，觀察不同類型嗅球神經(jīng)元的變化，他們發(fā)現(xiàn)光敏基因除了能在嗅覺神經(jīng)元中表達(dá)以外，刺激嗅覺皮層也能產(chǎn)生氣味反應(yīng)，通過神經(jīng)遞質(zhì)傳遞到嗅球顆粒細(xì)胞層，同時(shí)引起僧帽細(xì)胞的自發(fā)放電，這種反饋回路對(duì)僧帽細(xì)胞在嗅覺傳遞過程中有重要作用。研究者在轉(zhuǎn)基因小鼠中使用光遺傳學(xué)輸入空間恒定、時(shí)間可控的嗅覺信息，通過小鼠的行為報(bào)告探究刺激嗅覺神經(jīng)元的過程，將特定氣味與大腦情緒記憶聯(lián)系，證明嗅覺系統(tǒng)能觸發(fā)記憶[15]。

2.4 味覺

味覺開始于味覺感受器味蕾，它是上皮分化的特殊結(jié)構(gòu)。味蕾可以感受到五種味道：酸、甜、苦、咸和鮮味。不同促味劑的感覺方式不同，咸的東西富含鈉離子，從而引起味覺細(xì)胞上的鈉離子通道打開，引發(fā)動(dòng)作電位；酸的東西富含氫離子，激活質(zhì)子通道觸發(fā)味覺。食物在口腔內(nèi)的感覺信息被味蕾捕獲，每個(gè)味蕾擁有50～100個(gè)味覺感受器上皮細(xì)胞，對(duì)食物中的不同分子進(jìn)行識(shí)別和反應(yīng)。上皮細(xì)胞與神經(jīng)元組合，把味道類型和強(qiáng)度信息通過神經(jīng)元，經(jīng)腦神經(jīng)到達(dá)大腦皮層的味覺區(qū)域。利用單細(xì)胞膜片鉗記錄方法、神經(jīng)元追蹤技術(shù)和光遺傳技術(shù)等，發(fā)現(xiàn)通過激活唇瓣外側(cè)的機(jī)械感受神經(jīng)元，傳遞食物位置的信息而促進(jìn)進(jìn)食，激活的唇瓣內(nèi)側(cè)機(jī)械感受神經(jīng)元能提供食物硬度的信息而終止進(jìn)食，證明機(jī)械感知在進(jìn)食中起著關(guān)鍵作用[16]。研究者發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元調(diào)節(jié)饑餓的機(jī)制通過選擇性激活下丘腦神經(jīng)元，投射到下丘腦外側(cè)區(qū)域引起味覺的改變，證明下丘腦回路對(duì)于進(jìn)食行為的重要性[17]。飲食行為受多種因素影響，其中食物的質(zhì)感起到重要作用，Ou Fu等[18]發(fā)現(xiàn)腦橋臂旁核中表達(dá)SatB2的神經(jīng)元在甜味轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用，能選擇性地將甜味信號(hào)傳遞到下丘腦。

3 結(jié)語

光遺傳學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科疾病中的應(yīng)用，現(xiàn)有研究中，很多問題尚未解決，比如如何選擇能夠跨細(xì)胞類型傳遞信息的載體，基因改造后的神經(jīng)元的閾值是否改變，是否會(huì)導(dǎo)致感覺器官的提前衰老；長(zhǎng)期感覺喪失的患者中，如何通過療效測(cè)試評(píng)估和改進(jìn)治療方向；長(zhǎng)期光發(fā)生刺激能否產(chǎn)生能量累積等等。同時(shí)，光遺傳學(xué)開辟了感官系統(tǒng)治療的新視角，為非侵入性治療研究提供了更廣闊的平臺(tái)，以提供精準(zhǔn)的靶向治療，幫助更多殘障人士帶來生活的希望。