脑科学被誉为人类科技最后的前沿，也是全世界各国激烈角逐的科研赛场。理解脑的工作机制，揭示人类智能的形成和运作原理，对人脑认知功能开发、模拟和保护，决定未来人口素质，抢占国际竞争的技术制高点具有重要意义。2016 年，脑科学与类脑研究被十三五规划纲要确定为重大科技创新项目和工程之一，神经科学和人工智能界为之一振。目前，脑科学与类脑研究作为科技创新 2030 重大项目已经启动指南意见征求稿。

在对中枢神经系统的研究中，病毒载体因其独特的基因传递特征和靶向特异性，不仅被用来提高我们对基础神经生物学的理解，解析神经环路功能，而且也被用来研究疾病或作为基因治疗载体。腺相关病毒（rAAV）载体和慢病毒（LV）载体是目前啮齿类动物和灵长类动物的中枢神经系统研究和基因治疗临床试验中最常用的载体。

图片来源：Curr Opin Virol. 2016 Dec;21:61-66.

doi: 10.1016/j.coviro.2016.08.004.

了解不同病毒载体的特点能够帮助我们更好地选择研究工具。

点击上图查看常用rAAV和LV载体的大小、成分、表达周期、免疫原性等特点差异以及它们在神经科学研究中的应用比较。

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【知识分享】AAV和LV载体在神经系统中的应用病毒载体广泛应用于神经系统研究中

它们通常被用于向哺乳动物的大脑输送荧光标记、钙指示剂、和生理操控工具。如基因编码的钙指示剂(GECIs: GCaMP, jRGECO1)，基因编码的电压指示器(Voltron, GEVIs: SomArchon)，神经递质探针(如DA/Ach/NE/ iGABASnFR)和光遗传/化学遗传元件(如ChR2, eNpHR, hM3Dq, hM4Di)等。这些新技术的出现完善了生理研究的技术体系，帮助我们更好的从神经元或神经环路水平理解行为的神经机制。

Cre等重组酶系统

随着研究的不断深入，现代神经科学需要关注大量不同种类的神经元或胶质细胞，如多种GABA能中间神经元、小胶质细胞等。遗憾的是，这些细胞往往没有成熟的、不泄露的启动子供选择，那么在这种情况下，我们该如何实现细胞类型特异性的标记或操作呢？答案便是借助Cre-LoxP或Flp-FRT等重组酶系统。

简单来说，这类重组酶系统是通过特异位点重组酶(Site-specific recombinases, SSRs)介导重组酶特异识别位点(Recombination tar-get sites, RTs)间的重组，来实现特异位点的基因敲除、基因插入、基因翻转和基因易位等操作。由于该技术能够有效克服其他类型重组技术的非特异性或重组效率低等缺点，近年来已逐渐在功能基因研究领域占据了主导地位。

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【知识分享】一半海水、一半火焰，分子表达操控中高频出现的Cre、Flp、Dre等重组酶系统如何工作

光遗传技术

光遗传学（optogenetics）是结合了光学（optics）及遗传学（genetics）的技术，借助其，我们能在活体动物甚至是自由运动的动物脑内、脊髓、外周神经内，精准地控制特定种类神经元的活动。光遗传学在时间上的精确度可达到毫秒级别，在空间上的精确度则能达到单个细胞级别。

光遗传学技术的出来可以帮助科研人员更深入的理解大脑与行为之间的神经机制，目前关于光遗传学的应用主要集中在啮齿类小动物模型，为了最大限度的发挥光遗传学的潜力，使其成为研究人类认知和行为的重要工具，然而，在这项技术应用于人类之前，谨慎的做法是先在非人类灵长类动物(non-human primates, NHPs)身上证明其安全性和有效性。利用光遗传学从NHPs的细胞水平、环路水平及大脑网络层面去解析神经机制，有望揭示人类大脑功能和障碍的基本机制。

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【知识分享】用光改变世界，光遗传学技术原理及其在啮齿类、非人灵长类中的应用

化学遗传技术

化学遗传学技术（或称药理遗传学技术）可以通过对一些生物大分子实行改造，使其能和先前无法识别的小分子进行相互作用，从而达到可控、可逆控制生物大分子的活性，该技术已经在信号转导、药物开发、功能基因组学等方面的研究中得到了广泛的应用。只由特定药物激活的受体（Designer receptors exclusively activatedby designer drugs，DREADDs）。是目前应用最广泛的化学遗传学技术，被广泛用于以细胞特异性、无创地增强或抑制神经元的活动。

DREADDs技术是由Bryan L. Roth等人发明的，他们改变了G蛋白偶联受体—乙酰胆碱受体的结构，改变后其只能被特定的化合物Clozapine-N-oxide（CNO）激活或者抑制。此类改变的受体会选择性地作用于不同的GPCR级联反应，其中应用最广泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。通过将上述受体在细胞内表达，在CNO的作用下，其产生的结果各不相同。

Gq-DREADD和hM3Dq：在成熟神经元中，CNO诱导hM3Dq的结果是将神经元去极化，加强神经元的兴奋性。此外，在星形胶质细胞中，有人报道CNO诱导hM3Dq的结果是增加星形胶质细胞Ca+的释放，从而改变自主神经系统的生理条件。

Gi-DREADD和hM4Di:Gi耦合的GPCRs可以激活G蛋白内向整流钾通道（GIRK），在CNO的作用下， hM4Di受体被激活可以抑制神经元的放电活动，也有研究表明，hM4Di可以抑制神经递质的释放，从而达到抑制神经元活动的效果。

钙成像技术

脑科学研究的关键是要实现对神经元集群活动的实时观察，并通过特定神经环路的结构追踪及其活动操纵，研究其对脑功能的充分性和必要性，进而在全脑尺度上解析神经环路的功能和结构。

钙离子成像技术（Calcium imaging）是指利用钙离子指示剂监测组织内钙离子浓度的方法，常用于神经系统的研究，指示神经元内钙离子的变化，提示神经元活动。