光遗传学突破：用光控制大脑信号通路

 用蓝光打开，用黄光关闭：利用不同颜色的光，德国波鸿鲁尔大学（RUB）的研究人员能够打开或关闭大脑中的信号通路。

 

研究人员利用来自眼睛神经细胞的光敏蛋白质——所谓的黑素蛋白，以很高的时间精度，打开了大脑细胞中的特定信号通路。根据研究人员使用了什么类型的视黑素蛋白，信号通路可被短暂或持续地开启。在哺乳动物中，这个蛋白质通常调节着昼夜节律。

 

鲁尔大学普通动物学和神经生物学系的Katharina Spoida博士、Dennis Eickelbeck、Stefan Herlitze教授和Olivia Masseck博士，与波鸿的其他同事以及奥斯纳布吕克大学的研究人员，将这项研究结果发表在最近的Cell子刊《Current Biology》。

 

对比：小鼠和人类的黑素蛋白

 

研究人员描述称，小鼠和人类的黑素蛋白对光线刺激的反应不同。短的蓝色光脉冲可永久激活小鼠的黑素蛋白，但是只能暂时地激活人类的黑素蛋白。这两种蛋白质都可以用黄光关闭。

 

Dennis Eickelbeck说：“这些光敏蛋白质是开发光遗传学工具的理论基础。”在光遗传学中，研究人员利用遗传操纵，把光敏蛋白结合到其他蛋白质上，从而生成可以被光控制的受体。

 

解码G蛋白信号通路

 

接下来，RUB的研究人员希望开发可被光激活的G蛋白结合受体。这些受体控制着体内的许多功能。在细胞中哪些信号通路被打开，是由一个G蛋白是被短暂激活还是持续激活而决定的。G蛋白的时间激活模式的变化，可能会导致严重的疾病，例如肥胖和心血管疾病。

 

关于这个复杂的5 -羟色胺系统的见解

 

通过使用光遗传学方法控制所选择的单个信号通路，可以确定它们在健康有机体中所扮演的角色。研究人员还可以找出，哪些信号通路影响着某些疾病的发生。

 

这项研究的负责人Katharina Spoida指出：“在后续研究中，我们打算把各种各样的黑素蛋白结合到5 -羟色胺受体上，并更详细地分析由G蛋白信号的时间序列扰乱而引发的疾病。”

 

光遗传学这个新兴的研究领域，正快速发展。今年2月份，英国牛津大学的一组研究人员，首次在哺乳动物中引起了联想记忆的外部解码。研究人员在《Nature Neuroscience》杂志上发表的研究中，描述了他们是如何在测试小鼠中引起联想记忆形成，以及他们用来记录它的技术，使记忆被删除。

 

最近，美国塔夫斯大学的生物学家，利用一种蛙模型首次证明，他们能够用光来控制细胞间的电子信号，从而防止肿瘤的形成和并使肿瘤正常化。相关研究结果发表在2016年3月16日的《Oncotarget》杂志。

 

MIT的神经科学家在3月16日的《自然》（Nature）杂志上报告称，处于阿尔茨海默氏症早期的小鼠能够像正常小鼠那样形成新记忆，但在数天后便无法记起它们。此外，研究人员能够利用光遗传学（optogenetics）人为地刺激这些记忆，表明只需一点帮助仍然可以找回这些记忆。