編者按：
? ? ? ?在對精神和神經(jīng)疾病發(fā)病機制的認(rèn)識中，最重要的是確定介導(dǎo)疾病發(fā)生的神經(jīng)環(huán)路，并通過精確干預(yù)這些環(huán)路來確定神經(jīng)疾病和行為障礙直接因果關(guān)系。然而，要達到對神經(jīng)精神疾病相關(guān)神經(jīng)環(huán)路功能的精細化認(rèn)識，傳統(tǒng)的研究手段具有巨大的挑戰(zhàn)性。
? ? ? ?光遺傳學(xué)可利用光激活視蛋白的手段，在高細胞特異性和時間特異性的程度上操縱細胞活性。光遺傳學(xué)工具提供了一種建立大腦活動與健康、疾病行為之間因果關(guān)系的新方法。雖然沒有動物模型能精確捕捉人類疾病，但通過光遺傳學(xué)方法誘發(fā)和調(diào)節(jié)，可能使動物出現(xiàn)重現(xiàn)疾病癥狀的行為，包括與焦慮、恐懼、抑郁、成癮、自閉癥和帕金森癥相關(guān)的行為。光遺傳學(xué)的迅速發(fā)展為在動物模型中對潛在腦疾病的回路進行因果和精確剖析創(chuàng)造了新的機會。小編在這里給大家推薦Tye KM和Deisseroth K.發(fā)表在《Nature Reviews Neuroscience》題為“Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models”綜述文章，作者系統(tǒng)介紹了光遺傳學(xué)如何運用于鑒別恐懼、焦慮、抑郁、精神分裂癥、成癮、社交功能障礙、帕金森病和癲癇相關(guān)的動物模型的神經(jīng)環(huán)路，并討論了將光遺傳學(xué)與電生理、藥理學(xué)和行為評估相結(jié)合，以特定細胞類型或神經(jīng)環(huán)路為治療靶點的新策略。
一、光遺傳學(xué)的研究進展
? ? ? ?光遺傳學(xué)的工具箱最主要的是一系列擴展功能的視蛋白變體，這些視蛋白在調(diào)控細胞活動中具有明顯的優(yōu)勢，工具箱還包括光傳遞方案、病毒靶向策略和轉(zhuǎn)基因動物靶向策略，這些工具箱能解析神經(jīng)精神疾病相關(guān)行為環(huán)路的基礎(chǔ)性方案，在這些工具箱基礎(chǔ)上的研究進展推動了神經(jīng)行為科學(xué)的不斷進步。
1.新型視蛋白變體
? ? ? ?早期的光遺傳工具，如視紫紅質(zhì)通道蛋白2(ChR2)可在時間分辨率尺度上調(diào)節(jié)動作電位發(fā)生，鹵視紫紅質(zhì)蛋白(NpHR)和質(zhì)子泵則可使細胞膜超極化，抑制動作電位的產(chǎn)生。在此基礎(chǔ)上不斷對視蛋白進行改造而產(chǎn)生的光遺傳學(xué)視蛋白工具箱，在實驗設(shè)計上提供了更大的靈活性和更精細化的操作。
? ? ? ?基因工程產(chǎn)生的視紫紅質(zhì)通道蛋白變體(ChETA家族和ChIEF)可在更短的時間范圍內(nèi)調(diào)節(jié)神經(jīng)元動作電位的產(chǎn)生。OptoXRs(視紫質(zhì)受體嵌合體)可通過光激活啟動特定的G蛋白偶聯(lián)信號級聯(lián)。穩(wěn)定階躍函數(shù)視蛋白(SSFO)是ChR2的雙突變體(Asp156Ala和Cys128Ser)，對光的敏感度比其他視蛋白變體更高，因此能夠以非侵入性的方式激活表達SSFO的神經(jīng)元。
圖1. 光遺傳學(xué)視蛋白工具箱
2.光遺傳學(xué)與影像學(xué)技術(shù)的結(jié)合
? ? ? ?功能性磁共振成像(fMRI)與光遺傳操作的結(jié)合被稱為ofMRI，該結(jié)合方案很好地解釋了fMRI血氧水平依賴信號（BOLD信號）的神經(jīng)起源，即局部興奮神經(jīng)元中神經(jīng)元活動的增加是觸發(fā)BOLD信號前提條件，并且該方案還有可能精確分析光遺傳操作對大腦整體活動的影響。
3.轉(zhuǎn)基因嚙齒動物在光遺傳學(xué)中的應(yīng)用
? ? ? ?表達視蛋白的遺傳特異性工具正在不斷被改進，大量Cre重組酶驅(qū)動的小鼠品系已經(jīng)被用于光遺傳學(xué)相關(guān)研究中。目前轉(zhuǎn)基因小鼠品系在研究神經(jīng)精神疾病相關(guān)的細胞、環(huán)路和行為方面展現(xiàn)出強大的實用性，但由于缺乏在特定細胞類型中表達視蛋白的病毒工具，光遺傳學(xué)在大鼠身上的細胞特異性研究仍存在困難。
二、光遺傳學(xué)在行為學(xué)研究中的應(yīng)用
? ? ? ?光遺傳學(xué)不僅在研究特定細胞類型和特定投射靶向策略方面展現(xiàn)前所未有的精度，光遺傳學(xué)在時間尺度上也已經(jīng)開始改變及重塑行為分析模式。例如：傳統(tǒng)藥理學(xué)研究只能單向操作對行為學(xué)進行研究，而光遺傳學(xué)由于其精確激活和可逆性，因此可以將多個時間點的行為檢測集中在一個時間段內(nèi)進行。條件位置偏好(CPP)需要經(jīng)過長期的訓(xùn)練形成才能形成獎賞相關(guān)的行為記憶，隨后在行為學(xué)檢測中才能判斷是否形成了條件位置偏好。而光遺傳學(xué)由于其靈活性，當(dāng)動物在進入特定的小隔間時，采用光遺傳學(xué)激活神經(jīng)元來形成特定的位置偏好，因此能大大縮短傳統(tǒng)行為檢測的時間，并通過改變光刺激模式，收集到更豐富的數(shù)據(jù)信息。
三、在體光遺傳學(xué)的設(shè)計
? ? ? ?為了更直接地明確介導(dǎo)精神疾病行為的神經(jīng)環(huán)路，需要進行操作在體光遺傳學(xué)，而在設(shè)計在體光遺傳學(xué)的時候需要有一整套考慮因素。例如在選擇視蛋白時，光敏感度和光激活程度之間可能存在負相關(guān)；為了更精確的進行時間調(diào)節(jié)，可能需要進行更大范圍的神經(jīng)元群體的激活等。
方框1. 腦疾病研究中在體光遺傳學(xué)實驗的設(shè)計流程
? ? ? ?此外，視蛋白靶向策略對實驗結(jié)果也有很大的影響，最常用的方案是病毒靶向策略，通過腦區(qū)注射將視蛋白限制在一定范圍內(nèi)表達，當(dāng)病毒經(jīng)過自我復(fù)制后，病毒便具有示蹤能力，通過順行示蹤將視蛋白輸送到神經(jīng)元投射的下游腦區(qū)。目前有許多啟動子可將病毒特異性表達在靶細胞上，最常用的病毒載體是慢病毒和腺相關(guān)病毒。對于無法包裝到病毒載體的啟動子序列，Cre重組酶驅(qū)動與依賴Cre的視蛋白表達的病毒載體結(jié)合是一個有效的替代方案。此外，構(gòu)建細胞特異性的轉(zhuǎn)基因小鼠，在某些類型的細胞中組成型表達ChR2，可以避免病毒感染過程的負面影響。
圖2. 在體光遺傳學(xué)的靶向策略
四、介導(dǎo)焦慮和恐懼的神經(jīng)環(huán)路
? ? ? ?焦慮障礙是最常見的一類精神疾病，包括廣泛性焦慮障礙、驚恐障礙、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)和恐懼癥等。目前臨床上焦慮障礙的治療方案的療效并不明顯。而通過動物焦慮模型中建立投射特異性光遺傳靶向方案，已經(jīng)成功識別出杏仁核相關(guān)神經(jīng)環(huán)路可以快速和可逆地調(diào)節(jié)自由活動小鼠的焦慮水平。基底外側(cè)杏仁核(BLA)的投射神經(jīng)元有許多下游靶點，包括杏仁核的中央外側(cè)核和中央內(nèi)側(cè)核，伏隔核(NAc)、前額葉皮質(zhì)、終紋床核。因此，光遺傳靶向特定神經(jīng)投射是解決杏仁核特定環(huán)路引起的內(nèi)源性焦慮的最有效途徑。
? ? ? ?恐慌癥的特點是強烈的恐懼和自主神經(jīng)的喚醒，可由先前與恐懼相關(guān)的環(huán)境中的非危險信號所觸發(fā)。長期以來，人們一直認(rèn)為杏仁外側(cè)核是處理恐懼的關(guān)鍵腦區(qū)，光遺傳選擇性地激活杏仁外側(cè)核的谷氨酸能錐體神經(jīng)元，可引起小鼠強烈的恐懼。
圖3. 利用光遺傳學(xué)對杏仁核的微環(huán)路進行功能解析
五、介導(dǎo)藥物成癮的神經(jīng)環(huán)路
? ? ? ?藥物成癮是一種慢性復(fù)發(fā)性疾病，其特征是強迫性尋覓藥物和對藥物的渴求。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為成癮“劫持”了大腦的自然獎賞系統(tǒng)，因此，了解介導(dǎo)獎賞的神經(jīng)環(huán)路對于理解藥物成癮的病理生理學(xué)機制至關(guān)重要。中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)參與獎勵信息的處理過程，其中NAc高度參與獎勵信息的處理和其他與成癮有關(guān)的行為，但對于介導(dǎo)這些行為的神經(jīng)環(huán)路機制并不清楚。
? ? ? ?通過光遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)NAc中表達不同多巴胺受體亞型的神經(jīng)元對可卡因的位置偏愛有不同的調(diào)節(jié)作用：激活D1-MSN(中等有棘神經(jīng)元)增強可卡因的CPP，而激活D2-MSN則抑制可卡因CPP。此外，NAc的膽堿能神經(jīng)元參與調(diào)節(jié)可卡因獎賞相關(guān)位置偏好。
圖4. 利用光遺傳學(xué)對中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)環(huán)路進行功能解析
六、介導(dǎo)抑郁癥的神經(jīng)環(huán)路
? ? ? ?抑郁癥的終生患病率是13%，但抑郁癥相關(guān)的情緒障礙的病理生理機制尚不清楚。目前大多數(shù)的抗抑郁藥物治療效果差，即使藥物治療有效，也需要在服藥后4-6周才能顯示出療效。臨床上深部腦刺激(DBS)對改善抑郁癥癥狀有明顯的療效，但是傳統(tǒng)的研究手段對于研究改善抑郁癥背后的機制存在較大的困難。
? ? ? ?光遺傳學(xué)技術(shù)的運用可有助于了解DBS改善抑郁癥背后的神經(jīng)環(huán)路機制，通過光遺傳學(xué)在抑郁表型小鼠的前額葉皮質(zhì)錐體神經(jīng)元的胞體表達ChR2，光激活ChR2則可產(chǎn)生明顯的抗抑郁作用。前額葉皮質(zhì)投射到中縫背側(cè)核、中縫內(nèi)側(cè)核、杏仁核和其他被認(rèn)為參與情緒調(diào)節(jié)的腦區(qū)，使用光遺傳學(xué)的靶向策略解析這些投射功能有助于開發(fā)更有效的抗抑郁治療方案。
七、介導(dǎo)自閉癥和精神分裂癥的神經(jīng)環(huán)路
? ? ? ?臨床上自閉癥和精神分裂癥患者表現(xiàn)出各種各樣的癥狀，精神分裂癥的癥狀包括說話和行為混亂、幻覺、妄想和社交功能障礙等消極癥狀。這可能與神經(jīng)環(huán)路興奮和抑制平衡失衡以及皮質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的振蕩改變有關(guān)。目前精神分裂癥的動物模型仍在優(yōu)化中，但基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)新皮質(zhì)小清蛋白神經(jīng)元的數(shù)量和功能減少，導(dǎo)致神經(jīng)環(huán)路的興奮抑制失衡和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)震蕩的改變，可能是精神分裂癥發(fā)病的主要原因。
? ? ? ?自閉癥癥狀的復(fù)雜性和多變性使其研究變得異常困難，但有一種理論認(rèn)為，細胞興奮和抑制失衡(興奮-抑制失衡)可能是自閉癥發(fā)病原因。光遺傳學(xué)工具通過誘導(dǎo)興奮-抑制失衡，提供了實證檢驗這個觀點的能力。光遺傳學(xué)在前額葉皮層的谷氨酸能神經(jīng)元中表達SSFO，增加谷氨酸能神經(jīng)元的興奮性，導(dǎo)致伽馬頻段(30-80赫茲)的節(jié)律性活動增加，驅(qū)動了自閉癥的發(fā)生。
八、介導(dǎo)神經(jīng)功能障礙的環(huán)路
? ? ? ?光遺傳學(xué)方法已經(jīng)被應(yīng)用于各種神經(jīng)疾病的基礎(chǔ)性問題的研究，如帕金森氏病，癲癇，神經(jīng)元功能喪失導(dǎo)致的失明，呼吸衰竭和神經(jīng)精神性睡眠障礙。也加深了人們對運動神經(jīng)環(huán)路的理解。
? ? ? ?例如，基底節(jié)通過促進運動的直接通路和抑制運動的間接通路影響運動行為。帕金森氏病是一種神經(jīng)退行性疾病，以僵硬、震顫和運動緩慢為主要特征。丘腦底核(STN)的DBS在治療與帕金森氏病相關(guān)的運動障礙方面具有顯著的療效，選擇性光遺傳控制STN中的傳入纖維對偏側(cè)帕金森病大鼠模型的運動行為具有明顯的治療作用。
圖5. 利用光遺傳學(xué)對基底節(jié)神經(jīng)環(huán)路進行功能解析
九、結(jié)論
? ? ? ?本綜述對近期光遺傳學(xué)工具在神經(jīng)精神疾病相關(guān)研究的進展進行了系統(tǒng)的總結(jié)。光遺傳學(xué)在精細化調(diào)控方面的巨大優(yōu)勢，推進了神經(jīng)精神疾病相關(guān)神經(jīng)環(huán)路的功能解析，加深了人們對腦相關(guān)疾病背后的病理生理學(xué)進程的認(rèn)識。
? ? ? ?盡管已經(jīng)取得了豐富的研究成果，但是對于光遺傳學(xué)的進一步研究仍有很多工作要做。比如光遺傳學(xué)解析非人靈長類動物中神經(jīng)精神疾病的神經(jīng)環(huán)路機制，光遺傳學(xué)視蛋白的進一步完善以及更完善的神經(jīng)元靶向策略等。鑒于神經(jīng)精神疾病具有很高的共同發(fā)病率，運用更完善的光遺傳學(xué)策略解析不同疾病的共同特征，會成為簡化神經(jīng)科學(xué)相關(guān)研究范式的重要手段。
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