利用光子作为神经递质控制神经元的活动

作者：ICFO

在一只蠕虫体内，光子的颜色取代了化学神经递质的味道。青色神经元是黄色和红色神经元的突触前神经元，因此可以利用青色光控制它们的活动。资料来源：ICFO

我们的大脑由数十亿个神经元组成，它们相互连接，形成复杂的网络。它们之间通过发送称为动作电位的电信号和称为神经递质的化学信号进行交流，这一过程称为突触传递。

化学神经递质从一个神经元释放出来，扩散到其他神经元，并到达目标细胞，产生信号，从而兴奋、抑制或调节细胞活动。这些信号的时间和强度对于大脑处理和解释感官信息、做出决策和产生行为至关重要。

通过控制神经元之间的连接，我们可以更好地了解和治疗神经系统疾病，重新连接或修复受损的神经回路，提高我们的学习能力或扩展我们的行为集。

控制神经元活动有多种方法。一种可能的方法是使用药物，改变大脑中化学神经递质的水平，影响神经元的活动。另一种方法是对特定脑区进行电刺激，以激活或抑制神经元。第三种方法是利用光来控制神经元的活动。

利用光子控制神经元活动

利用光来控制神经元活动是一种相对较新的技术，过去也曾进行过探索。它涉及对神经元进行基因改造，在目标细胞中表达光敏蛋白、离子通道、泵或特定酶。这项技术能让研究人员更精确地控制特定神经元群的活动。

资料来源：ICFO

不过，这种技术也有一些局限性。由于光线在脑组织中会发生散射，因此需要在非常靠近神经元的地方进行照射，才能在突触水平上达到足够的分辨率。因此，它通常是侵入性的，需要外部干预。此外，到达目标细胞所需的强度可能会对细胞造成伤害。

为了克服这些挑战，ICFO 的一个研究小组在《自然方法》（Nature Methods）杂志上介绍了一种使用光子而不是化学神经递质来控制神经元活动的系统。

在迈克尔-克里格教授的领导下，ICFO的研究人员Montserrat Porta、Adriana Carolina González、Neus Sanfeliu-Cerdán、Shadi Karimi、Nawaphat Malaiwong、Aleksandra Pidde、Luis Felipe Morales和Sara González-Bolívar与Pablo Fernández和Cedric Hurth一起，利用荧光酶、发光酶和光敏离子通道，开发出了一种连接两个神经元的方法。

他们在被广泛用于研究特定生物过程的模式生物--秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中开发并测试了一种名为PhAST（Photons As Synaptic Transmitters的缩写）的系统。与生物发光动物利用光子进行交流的方式类似，PhAST利用酶荧光酶来发送光子，而不是化学物质，作为神经元之间的递质。

用光子取代化学神经递质

为了测试光子能否编码和传输两个神经元之间的活动状态，研究小组对蛔虫进行了基因改造，使其神经递质出现缺陷，从而对机械刺激不敏感。他们的目标是利用 PhAST 系统克服这些缺陷。

其次，他们设计了发光酶荧光素酶，并选择了对光敏感的离子通道。为了跟踪信息流，他们开发了一种装置，在向动物鼻子施加机械应力的同时，测量感觉神经元中的钙活动，钙是最重要的离子和细胞内信使之一。

为了能够看到光子和研究生物发光，研究小组之前设计了一种新的显微镜，简化了荧光显微镜，去掉了所有不必要的光学元件，如滤光片、镜子或激光器本身。

研究人员随后在多项实验中测试了 PhAST 系统的工作原理，并成功利用光子传递神经元状态。他们能够在两个未连接的细胞之间建立新的传输，恢复有缺陷电路中的神经元通信。他们还抑制了动物对疼痛刺激的反应，将它们对嗅觉刺激的反应从吸引行为转变为厌恶行为，并研究了产卵时的钙动态。

这些结果表明，光子确实可以充当神经递质，实现神经元之间的通信，而且PhAST系统可以合成修改动物行为。

光作为信使的潜力

光作为信使为未来的潜在应用提供了广阔的空间。由于光子可用于其他类型的细胞和多种动物物种，它对神经科学的基础研究和临床应用都具有广泛的意义。

利用光来控制和监测神经元的活动，可以帮助研究人员更好地了解大脑功能和复杂行为的内在机制，以及不同脑区之间是如何相互沟通的，从而提供了以更高的空间和时间分辨率对大脑活动进行成像和绘图的新方法。它还能帮助研究人员开发新的治疗方法，例如，在不进行侵入性手术的情况下修复受损的大脑连接。

然而，该技术的广泛应用仍受到一些限制，生物发光酶和离子通道工程学的进一步改进或分子靶向技术的进一步改进将能以光学方式控制神经元功能，而且是非侵入性的，并具有更高的特异性和精确性。

(责任编辑：泉水)

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