仪器科普丨空间光遗传学的进展与前沿应用

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光遗传学(Optogenetics)是一种结合光学和遗传学的技术。首先将编码光敏感蛋白(如兴奋性通道ChR2、抑制性通道NpHR3.0等)的基因导入特定类型的神经细胞中,使其表达相应的光控离子通道或光敏受体。这些光敏感蛋白在特定波长光照下可选择性调控离子的跨膜流动,引起细胞去极化或者超极化,从而兴奋或者抑制神经元活动。通过这种“光-电”耦合机制,研究人员能够以毫秒级精度、细胞类型特异性的方式,实现对神经活动的精准兴奋或抑制调控。


空间光遗传是光遗传学的一种扩展,结合了空间光学技术和光遗传学的概念,允许在更细致的空间尺度上进行神经调控。通过使用微型光源、光纤或空间光调制器,可以在局部区域内**调控神经元,而不会影响周围的细胞,实现对特定神经回路或区域的精准干预,除了调控单个神经元外,空间光遗传学还可以用于研究复杂的神经网络,例如通过同时激活多个区域来观察它们的相互作用。


Butler等人(2016) [1]通过空间光遗传结合脑片电生理技术,研究了海马CA1区γ振荡的起源。利用Mightex Polygon系统精准照射表达ChR2的特定细胞层,他们证实了CA1局部环路足以在光驱动下产生γ振荡,明确了该脑区作为γ节律内源性起搏器之一的关键机制。


图一:海马特定层的不同光刺激照射,对应的γ振荡的活动


Van Haren等人(2022) [2]开发了一种基于Polygon靶向光刺激的新型空间光遗传系统,用于**灭活关键的微管正端结合蛋白EB1。该系统通过干扰EB1介导的微管结合,从而影响正端追踪蛋白(+TIPs)募集到微管的正端,实现了对微管组织动态的高时空分辨率操控。


图二:π-EB1 H1299细胞在黑暗中以及仅对纺锤体右侧进行局部蓝光照射时,微管组织的动态


Kauvar等人(2020)[3]采用Mightex Polygon光刺激系统,结合其自主研发的闭环校准技术,在清醒小鼠行为任务中,实现了对多个皮层区域活动的高时空精度光遗传学抑制。该技术使靶向几乎整个背侧皮层成为可能,有力推动了大规模皮层网络功能的研究。


图三:校准系统,MightexPolygon光刺激系统使他们能够靶向几乎整个背侧皮层


Vijayalakshmi等人(2025)[4]研究了在小鼠脑片中,记忆痕迹神经元的侧向抑制作用。采用了空间光遗传的方法,在三个不同的递减圆形感兴趣区域(ROI)内对颗粒细胞GC胞体(表达ChR2)进行光激活,并在刺激区域外未标记的GC中记录IPSC。


图四:对随机一组颗粒细胞的局部激活产生强烈的反馈抑制


Yu‐Chun等人(2024)[5]运用了一种名为RIVET(靶向囊泡在结合轨道上的快速固定)的新方法来研究细胞内运输。RIVET利用靶向囊泡与特定细胞骨架之间的可诱导二聚化,能够在数秒内以可逆的方式在时空上阻断多种细胞内运输途径。其高度特异性的扰动使得实时解析不同运输途径之间的动态关系成为可能。

图五:利用光遗传学快速可逆地固定感兴趣区域


Nathan D Lord等人(2025)[6]建立了早期胚胎发育信号活动的空间模式,利用高分辨率时空调控工具扰动形态发生素信号,有助于揭示胚胎细胞如何解码这些信号以做出适当的命运决定。利用模式化照明在Nodal信号突变体中生成合成信号模式,挽救了几个特征性的发育缺陷。为了展示空间模式化能力,将光图案投射到球形斑马鱼胚胎群上,通过pSmad2**染色读取,每个图案位置均可生成**的Nodal信号模式。


图六:用于调控Nodal信号通路时空模式的平台


通过以前的科研工作可知,光遗传学和空间光遗传的结合为理解神经系统、开发**策略提供了强大的工具。这些技术不仅深化了对神经回路功能的理解,也在基础和临床研究中展现出巨大的潜力。


而以上研究中用到的空间光遗传设备是Polygon DMD 图案照明器,是加拿大Mightex公司的产品,能够以亚细胞分辨率对光进行**的时空控制,使其成为生命科学研究的**照明工具。Polygon 采用数字微镜器件 (DMD) 技术,可同时照亮多个区域。DMD 由数十万个微镜组成,每个微镜均可单独开启,将光反射到样品上。对于在体的研究,Mightex公司也有oasis系列的产品,用于在体的钙成像和光遗传研究,来了解神经回路与行为之间的联系,探测复杂的神经元网络。


图七:Polygon DMD 图案照明器以及在体光遗传和钙成像


参考文献:

[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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