一项开创性的研究开发出一种新型工具，使得在无需光遗传学和化学遗传学等外部刺激的情况下，探测和编辑脑回路功能成为可能。这项名为LinCx（利用连接蛋白实现回路长期整合）的方法，通过工程化电突触在活体小鼠体内发挥作用，自主地改变细胞、回路和网络活动，并对行为产生相应影响。

与依赖外部刺激的现有工具形成鲜明对比，LinCx技术实现了内源性的、自主的回路调控。耶路撒冷希伯来大学神经生物学助理教授Ithai Rabinowitch（未参与此项研究）评价道：“在这里，所有信息都是完全自然的；我们改变的只是大脑如何操纵这些信息的方式。在我看来，这真的非常重要。”布兰迪斯大学生物学教授Eve Marder（未参与此项研究）也指出，如果能明智而深思熟虑地利用LinCx来探究电突触在脑回路中的作用，它将是一个潜在的有用工具。

电突触由缝隙连接组成，在脊椎动物中，这些连接由连接蛋白（connexin proteins）构成，人类体内有21种连接蛋白亚型。这些蛋白质位于相邻细胞的膜上，相互对接形成离子通道，从而耦合细胞的活动。在无脊椎动物中，缝隙连接由内连接蛋白（innexins）组成，它们不与连接蛋白相互作用。2014年的一项研究曾利用这一特性，通过在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中表达哺乳动物连接蛋白，成功重塑了其嗅觉回路，并将其行为从气味吸引转变为回避。

然而，将这种方法应用于更复杂的哺乳动物大脑面临巨大挑战。由于几乎所有连接蛋白都与同类型的连接蛋白形成“同型”（homotypic）连接，在整个神经元群体中添加相同类型的新连接蛋白，可能导致网络过度连接和过度兴奋。杜克大学医学院精神病学和行为科学教授、本研究的首席研究员Kafui Dzirasa表示：“当我们开始思考如何在拥有许多相同类型细胞的哺乳动物中实现这一目标时，我们碰壁了。”

为了解决这一问题，研究人员需要设计出仅与特定伙伴形成“异型”（heterotypic）连接的连接蛋白，并且不与哺乳动物神经元和星形胶质细胞中的主要连接蛋白Cx36或Cx45相互作用。Dzirasa将其描述为一个“生物化学问题”：“我们不再像在秀丽隐杆线虫中那样让这些缝隙连接像贴纸一样工作，而是需要它们像磁铁一样，拥有正极和负极，并将其部署到特定的细胞类型中。”

研究团队选择了来自白鲈鱼（white perch）的Cx34.7和Cx35这对研究充分的连接蛋白，它们能够相互形成连接。然而，在利用他们开发的一种检测方法筛选了Cx34.7和Cx35的变体库后，他们未能找到不与Cx36相互作用的Cx34.7变体。本研究的另一位主要研究员、在Dzirasa实验室进行博士后研究期间主导这项工作、现任卡内基梅隆大学实验室负责人的Elizabeth Ransey解释道：“我们选择了一种特性，但仍然需要工程化另一种特性。”

在计算建模的帮助下，Ransey及其同事确定了Cx34.7和Cx35中的关键氨基酸，当这些氨基酸发生突变时，可使这对连接蛋白仅相互对接。这项突破性工作已于上个月发表在《自然》（Nature）杂志上。Rabinowitch对此赞不绝口：“他们采用的方法非常精巧和出色。对我这个工程化突触的人来说，这是我一直梦寐以求的，而现在有人成功做到了。”

首次实验演示涉及前额叶皮层锥体神经元和中间神经元之间的微回路。工程化的突触增强了θ波段和高频振荡之间的相位-幅度耦合，这表明回路中的通信得到了加强。经过LinCx编辑的小鼠也比对照组表现出对社交刺激更强的偏好。

随后，研究人员选择了一个Dzirasa团队先前已证实与应激反应相关的长程回路：从小鼠下边缘皮层到背内侧丘脑的投射。在下边缘皮层中表达Cx34.7(M1)，在背内侧丘脑中表达Cx35(M1)，增强了这些区域之间的振荡耦合。经过LinCx编辑的小鼠在悬尾实验中显示出应激相关适应行为的显著减少。

然而，潜在的复杂性在于连接蛋白分子可能在细胞膜中与相邻分子形成寡聚体。Dzirasa指出：“如果它们不够纯净，它们的对接特性可能会改变。”Ransey表示，“LinCx 2.0版本”的一个重要目标将是“确保其在侧向相互作用方面极其纯净”。此外，添加电突触也可能影响细胞的化学突触，这可能导致观察到的效应。Dzirasa坦言，区分这些可能性是复杂的。效应还会因细胞类型的不同特性而异，他补充道：“每种细胞类型的连接都会有所不同，因此需要对每对细胞类型进行测试。”

LinCx有望成为基础神经科学研究的强大新工具，但临床应用——Dzirasa的最终目标——仍遥远。当其他团队致力于脑部递送系统时，Dzirasa的团队正面临一个更基本的问题：“我们必须弄清楚人体组织是否能耐受它们。”他表示：“我们目前正在人类类器官中表达和测试它们，以解决这个问题。”