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清华大学电子系盛兴课题组和生命学院罗敏敏课题组等合作开发无线双向光遗传学神经调控技术
2022-02-14 11:18
清华大学
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  近日,清华大学电子工程系盛兴课题组与生命学院罗敏敏课题组等合作,基于双色堆叠式的薄膜微型LED器件,开发无线可独立、实时控制的柔性植入式光电探针,在细胞、神经环路、活体动物行为等多个层面,实现了神经系统无线、“开/关”双向调控,为基础神经科学探索和生物医疗应用提供了有效的工具手段。

图1 无线双色LED光电探针的工作示意图

  光遗传学技术具有特异性标记的特点,已经成为神经科学领域的重要研究手段。但是目前基于光纤的给光策略限制了复杂动物行为的研究,且尚未实现在自由移动的动物中同时进行神经激活和抑制的双向控制。针对现有光遗传学技术刺激光源的单一性和行为小鼠的活动受限性等问题,本工作提出了利用微型薄膜式LED的易装配性制备双色堆叠式柔性探针的方法。与传统光纤相比,其具有尺寸小、能耗低、无线便携等特点,既摆脱了光纤的束缚,又实现了在同一位点同时给予红-蓝双色光照的功能。

图2 双病毒表达和双色LED的光谱以及光刺激神经细胞的电生理结果

  在生物实验中,无线、双色光遗传学探针与实验小鼠模型中两种不同响应光谱的光敏蛋白的共表达协同完成了对神经元活动的双向操纵。对蓝光高度敏感的阴离子通道光敏蛋白stGtACR2和对红光高度敏感的阳离子通道光敏蛋白ChrimsonR的功能相反,光谱交叉重叠小,可通过调控红光和蓝光LED的光强大小分别实现激活或抑制神经元的活动的功能。在体外膜片钳实验中,在红光或蓝光照射下精准诱发或抑制两种光敏蛋白共表达的单个神经元的动作电位。

图3 实时位置偏好实验的实验示意图和小鼠轨迹热图度

  在活体实验中,实时位置偏好测试实验验证小鼠在双色植入式探针刺激中脑腹侧被盖区(VTA)时,可诱导其产生喜好和厌恶的双向选择性行为。

图4 三只小鼠在双色刺激下的社交记录

  最重要的是,无线控制功能不仅让动物的行为学研究摆脱了传统的光纤给光方式的束缚,而且可实现对多个动物的独立控制,三只小鼠的复杂交互探索行为展示了红、蓝双色无线“开/关”刺激对小鼠社交的偏好影响,进一步展示了无线双色微型LED探针在研究多个动物之间的社会互动方面具有显著优势,为复杂行为学的研究提供了强有力的技术支撑。

图5 VTA-NAc神经回路中多巴胺释放水平监测的实验示意图和变化情况

  在VTA-NAc神经回路中,VTA在共定位的双色LED的调控下实现了对NAc脑区中多巴胺释放水平的变化。在红光刺激下增强的多巴胺信号和在蓝光刺激下降低的多巴胺信号再次验证了双探针的双向调节效果。

  该研究成果在《自然·通讯》(Nature Communications)发表,题为《面向双向光遗传学调控的无线双色光电探针》 (Colocalized, Bidirectional Optogenetic Modulations in Freely Behaving Mice with a Wireless Dual-Color Optoelectronic Probe)。本文的通讯作者为盛兴(清华大学电子系,清华-IDG/麦戈文脑科学研究院)和罗敏敏(清华大学生命学院,清华-IDG/麦戈文脑科学研究院,北京脑科学与类脑研究中心,北京生命科学研究所)。清华大学电子系博士后李丽珠,北京生命科学研究所博士后卢立辉、任育齐,清华大学电子系博士生唐果为共同第一作者,合作者来自清华大学电子系、材料学院、北京理工大学、北京航空航天大学等单位。该研究获得了国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、北京市基金、北京信息科学与技术国家研究中心等支持。

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