Neuron：最新光遗传工具，具有高效能和时间精度

作者：张馨予

　　光遗传学融合光学及遗传学的技术，能够精准控制特定细胞在空间与时间上的活动。这项技术的应用使得研究人员们能够将神经活动的精确特征与感觉、认知和行动的特定方面因果地联系起来。

　　然而，现阶段所使用的视蛋白的生物物理性质，包括电导、动力学和灵敏度，限制了可以进行的扰动的类型、规模、速度和保真度。虽然已有一些视蛋白被改造，但仍无法完成高时间精度的大量神经元的控制。

　　因此，我们需要一种视蛋白，除了显示高效能外，同时保持快速动力学和高时间精度。

　　近日，加州大学伯克利分校海伦威尔斯神经科学研究所HillelAdesnik于Neuron发表题为“High-performancemicrobial opsins for spatially and temporally precise perturbationsof large neuronalnetworks”的文章。

　　他们基于ChroME设计了一系列全新的视蛋白，并将其中最高效能和最佳动力学的变体命名为ChroME2f和ChroME2s。

　　ChroME2f和

　　ChroME2s的特征

　　与目前常用的Chronos、ChR2、ChrimsonR、CoChR和ChRmine相比，ChroME变体ChroME2f和ChroME2s是最有效的视蛋白。

　　其中，虽然ChRmine能提供比ChroME2f/s更大的光电流（见下图1E），但ChRmine关闭动力学明显更慢：比ChroME2f慢约6倍，比ChroME2s慢约4倍（见下图1F-H）。另外，ChroME2f/s变体在双光子激发下也优于ChroME。

图1| ChroME2f和ChroME2s的特征

　　接下来，作者通过全细胞记录证实了上述结果。相较于ChroME，ChroME2s和ChroME2f提供的光电流明显更高。相较于ChRmine，这些电流具有显著的快速衰减动力学。

图2| ChroME2f和ChroME2s的光电流和衰减动力学

　　ChroME2f和ChroME2s

　　高效、高时间精度地神经元控制

　　基于上述结果，作者比较了在特定频率范围内可靠驱动神经元到达动作电位阈值所需的光功率。结果显示，ChroME2f和ChroME2s可在更低功率光刺激下驱动神经元（相较于ChroME）。相比较之下，虽然ChRmine可以在低频刺激下产生波峰，但其驱动反应在不同频率之间的结果不太理想和稳定。

图3| 四种视蛋白在不同频率刺激下的激发功率与响应成功率的比较

　　随后，作者验证了不同视蛋白的时间精度，结果证实，ChroME2s和ChroME2f能够有效地跟随脉冲亚毫秒抖动的频率。这表明，ChroME2f和ChroME2s可以在广泛的频率范围内精确地再现类似生理特征的峰值序列。

图4| “Poisson”刺激下的时间精度

　　光学串扰和

　　光谱特性

　　作者进行了光谱特性验证，结果显示，ChroME2s和ChroME2f出现ChroME相似的双光子激发光谱，在920nm处有很强的吸收，峰值大约在1000nm，而1200nm以上的吸收最小（见图5）。

图5| 不同视蛋白的双光子激发光谱

　　随后作者通过膜片钳进行全细胞记录，同时对脑切片进行成像，分析了可能发生的光学串扰。他们发现，在常用的皮层神经元成像条件下，表达ChroME2f或ChroME的神经元出现了极小的扫描诱导的去极化；而表达ChroME2s和ChRmine的神经元有较大的去极化。

　　作者还在亚细胞结构观察了光学串扰，和上述结果一致的是：在许多表达ChRmine和一些表达ChroME2s的神经元中，扫描直接引起了静息电位的峰值。但在表达ChroME或ChroME2f的神经元中没有发生这种情况。

　　可操控大量神经元

　　最后，作者评估了这些视蛋白在体内同时激活神经元的数量上限。结果显示在动物模型中，可以同时激活408个目标的346个神经元的活动。

　　另外，如果没有要求严格的同时性（如在几毫秒内共同激活），则可激活更大量的神经元（多达600+个神经元）。这说明，ChroME2s和ChroME2f可在广泛的条件下控制大量神经元并提供出色的毫秒级的时间控制。