光遺傳學技術在研究下丘腦的神經核團的應用
如何利用光遺傳學技術研究下丘腦的神經核團？
20 世紀末研究者們發現了食欲肽 (Orexin) 及 其受體在調節神經活性和調節攝食行為方面的作用 。之后在動物在體實驗中又有研究發現這種神 經元及受體還參與了睡眠與覺醒的轉換，并運用 基因敲除技術敲除 Orexin 基因研究其對睡眠狀態 的影響。在這些理論的基礎上，Ferrari 等將攜帶有編碼 VGAT 啟動子和 ChR2 的慢病毒注射 在轉基因小鼠的下丘腦外側區，采用光遺傳學技 術調控投射在該區域的 Orexin 能神經元的 GABA 能神經元軸突末梢，從而調控動物在睡眠到覺醒 狀態的轉換。另有研究者采用小鼠動物模型利用 光遺傳學技術激活中縫背核 (dorsal raphe nucleus， DRN) 區五羥色胺能 (5-HT) 神經元，記錄 Orexin 能 神經元的突觸后反應，結果顯示 5-HT 神經元可能通過 5HT1A 受體直接抑制 Orexin 能神經元，也可能通過調控 GABA 能神經元間接抑制 Orexin 能神 經元，進而調節動物的清醒狀態以及睡眠狀態。 此外也有在體研究用光遺傳刺激該核團，來研究 其與應激焦慮相關的行為學表現，同時也引起了睡眠向覺醒的改變 。總之，Orexin 能神經元因 其在腦內投射廣泛，在未來的神經環路研究中仍有著重要的意義。
下丘腦外側區 MCH 神經元與 Orexin 能神經元 在腦內投射區域基本相似，與 Orexin 能神經元在 睡眠覺醒調節中有著互補的作用。在體動物實驗中 用光遺傳學方法刺激 MCH 神經元可增加非快速動眼睡眠期 (non-rapid eye movement sleep，NREM) 及 快速動眼睡眠期 (rapid eye movement sleep，REM) 的睡眠時間。2016 年有研究結果顯示，在大鼠下丘腦注射攜帶 ChR2 的病毒，利用光遺傳學技術 分別采用 5 Hz、10 Hz 和 30 Hz 的藍光特異性激活 MCH 神經元，可增加夜晚 REM 期及 NREM 期的 睡眠時間，白晝期間僅 REM 期睡眠增加。也有 在體研究指出在光刺激 MCH 后 NREM 期增加并且 腦電圖分析出現穩定的慢波 Delta 波，以上兩種研 究的不同結果可能是與刺激的頻率方式以及刺激 部位不同導致的。MCH 神經元既可促進 NREM 向 REM 期的轉換，同時也對 NREM 期睡眠的產生和 維持發揮作用。
MCH 神經元被認為是一種 GABA 能神經元， 釋放GABA 抑制下游神經元，最近有研究證實用 光遺傳學刺激中隔核外側區 (lateral septal nucleus， LS) 的 MCH 神經元軸突末端，通過電生理指標發 現 MCH 神經元向 LS 區投射釋放谷氨酸使 LS 激活， 而谷氨酸同時激活了其他部位的 GABA 能神經元， 這些 GABA 能神經元也投射到 LS 區并形成了的前 饋抑制機制。之前研究發現只有在睡眠期才可以觀察到 MCH 神經元的活動，最近有證據表明它 在覺醒期也有神經活動 。上述發現證明 MCH 神經元不只是一種 GABA 能神經元而且還釋放谷氨 酸影響下游神經元，可能參與覺醒期的調節，未來也可以研究 MCH 神經元與 Orexin 之間是否存在 協同作用，并尋找在覺醒期調節方面的相關環路。
結節乳頭核是中樞神經系統中組胺的唯一來源，雖然已經知道腹外側視交叉前區是主要的睡 眠激活中心，也知道組胺能神經元在覺醒中的 作用，但仍然不知道哪些神經環路參與其中。 Williams 等將光遺傳學技術與電生理技術結合 來探究 TMN 區組胺能神經元與 VLPO 區 GABA 能神經元在促進覺醒功能中的神經環路，用組氨酸 脫羧酶 -Cre 小鼠結合 ChR2-mCherry 表達在結節 乳頭核腹外側區 (vlTMN) 的組胺能神經元，在光 刺激相應區域后可以用電生理技術記錄 vlTMN 神 經元和 VLPO 神經元中的自發抑制性突觸后電流 (sIPSC)，發現從 TMN 區釋放的組胺通過 H3 受體 可以減少 GABA 能神經元向 vlTMN 神經元的傳 入從而對自身進行去抑制，并且組胺能神經元可 以通過 H1 受體激活 GABA 中間神經元從而抑制 VLPO 區 GABA 能神經元對 vlTMN 區的抑制，以 激活 TMN 區神經細胞。VLPO 區神經元和 TMN 區 神經元彼此相互抑制，激活一個相應的會抑制另 外一個的表達。這一結果驗證了之前研究中睡眠 與覺醒調節的“觸發開關”假說，使睡眠或覺醒 狀態轉換迅速。Neuron 的一篇小鼠在體光遺傳學 研究顯示，組胺能神經元以旁分泌形式釋放 GABA 來參與睡眠調節，敲除轉基因小鼠組胺能神經元中的 VGAT 基因 ( 編碼 GABA 轉運體 ) 可導致覺 醒期額外增加。這樣的自身調節機制可能是為 了使睡眠覺醒趨于一個穩定的狀態，防止組胺能 神經過度激活，導致睡眠覺醒調節神經網絡紊亂。 也許其他神經元中也有類似的機制，使大腦中神經環路調節穩定。
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康森特生物科技（長沙）有限公司代理的 inper光遺傳系統把光學和遺傳學手段結合起來，通過基因操控技術將感光基因轉入到神經系統特定類型的神經元，然后通過相應波長的光激活該蛋白從而實現精確操控神經元。根據實驗需求精確控制特定神經元的興奮與抑制，從而為揭示大腦中的神經環路所介導的功能提供便捷有效的方法。
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電話 ： +86-0731-84428665 聯系人：徐經理 +86-138 1744 2250
20 世紀末研究者們發現了食欲肽 (Orexin) 及 其受體在調節神經活性和調節攝食行為方面的作用 。之后在動物在體實驗中又有研究發現這種神 經元及受體還參與了睡眠與覺醒的轉換，并運用 基因敲除技術敲除 Orexin 基因研究其對睡眠狀態 的影響。在這些理論的基礎上，Ferrari 等將攜帶有編碼 VGAT 啟動子和 ChR2 的慢病毒注射 在轉基因小鼠的下丘腦外側區，采用光遺傳學技 術調控投射在該區域的 Orexin 能神經元的 GABA 能神經元軸突末梢，從而調控動物在睡眠到覺醒 狀態的轉換。另有研究者采用小鼠動物模型利用 光遺傳學技術激活中縫背核 (dorsal raphe nucleus， DRN) 區五羥色胺能 (5-HT) 神經元，記錄 Orexin 能 神經元的突觸后反應，結果顯示 5-HT 神經元可能通過 5HT1A 受體直接抑制 Orexin 能神經元，也可能通過調控 GABA 能神經元間接抑制 Orexin 能神 經元，進而調節動物的清醒狀態以及睡眠狀態。 此外也有在體研究用光遺傳刺激該核團，來研究 其與應激焦慮相關的行為學表現，同時也引起了睡眠向覺醒的改變 。總之，Orexin 能神經元因 其在腦內投射廣泛，在未來的神經環路研究中仍有著重要的意義。
下丘腦外側區 MCH 神經元與 Orexin 能神經元 在腦內投射區域基本相似，與 Orexin 能神經元在 睡眠覺醒調節中有著互補的作用。在體動物實驗中 用光遺傳學方法刺激 MCH 神經元可增加非快速動眼睡眠期 (non-rapid eye movement sleep，NREM) 及 快速動眼睡眠期 (rapid eye movement sleep，REM) 的睡眠時間。2016 年有研究結果顯示，在大鼠下丘腦注射攜帶 ChR2 的病毒，利用光遺傳學技術 分別采用 5 Hz、10 Hz 和 30 Hz 的藍光特異性激活 MCH 神經元，可增加夜晚 REM 期及 NREM 期的 睡眠時間，白晝期間僅 REM 期睡眠增加。也有 在體研究指出在光刺激 MCH 后 NREM 期增加并且 腦電圖分析出現穩定的慢波 Delta 波，以上兩種研 究的不同結果可能是與刺激的頻率方式以及刺激 部位不同導致的。MCH 神經元既可促進 NREM 向 REM 期的轉換，同時也對 NREM 期睡眠的產生和 維持發揮作用。
MCH 神經元被認為是一種 GABA 能神經元， 釋放GABA 抑制下游神經元，最近有研究證實用 光遺傳學刺激中隔核外側區 (lateral septal nucleus， LS) 的 MCH 神經元軸突末端，通過電生理指標發 現 MCH 神經元向 LS 區投射釋放谷氨酸使 LS 激活， 而谷氨酸同時激活了其他部位的 GABA 能神經元， 這些 GABA 能神經元也投射到 LS 區并形成了的前 饋抑制機制。之前研究發現只有在睡眠期才可以觀察到 MCH 神經元的活動，最近有證據表明它 在覺醒期也有神經活動 。上述發現證明 MCH 神經元不只是一種 GABA 能神經元而且還釋放谷氨 酸影響下游神經元，可能參與覺醒期的調節，未來也可以研究 MCH 神經元與 Orexin 之間是否存在 協同作用，并尋找在覺醒期調節方面的相關環路。
結節乳頭核是中樞神經系統中組胺的唯一來源，雖然已經知道腹外側視交叉前區是主要的睡 眠激活中心，也知道組胺能神經元在覺醒中的 作用，但仍然不知道哪些神經環路參與其中。 Williams 等將光遺傳學技術與電生理技術結合 來探究 TMN 區組胺能神經元與 VLPO 區 GABA 能神經元在促進覺醒功能中的神經環路，用組氨酸 脫羧酶 -Cre 小鼠結合 ChR2-mCherry 表達在結節 乳頭核腹外側區 (vlTMN) 的組胺能神經元，在光 刺激相應區域后可以用電生理技術記錄 vlTMN 神 經元和 VLPO 神經元中的自發抑制性突觸后電流 (sIPSC)，發現從 TMN 區釋放的組胺通過 H3 受體 可以減少 GABA 能神經元向 vlTMN 神經元的傳 入從而對自身進行去抑制，并且組胺能神經元可 以通過 H1 受體激活 GABA 中間神經元從而抑制 VLPO 區 GABA 能神經元對 vlTMN 區的抑制，以 激活 TMN 區神經細胞。VLPO 區神經元和 TMN 區 神經元彼此相互抑制，激活一個相應的會抑制另 外一個的表達。這一結果驗證了之前研究中睡眠 與覺醒調節的“觸發開關”假說，使睡眠或覺醒 狀態轉換迅速。Neuron 的一篇小鼠在體光遺傳學 研究顯示，組胺能神經元以旁分泌形式釋放 GABA 來參與睡眠調節，敲除轉基因小鼠組胺能神經元中的 VGAT 基因 ( 編碼 GABA 轉運體 ) 可導致覺 醒期額外增加。這樣的自身調節機制可能是為 了使睡眠覺醒趨于一個穩定的狀態，防止組胺能 神經過度激活，導致睡眠覺醒調節神經網絡紊亂。 也許其他神經元中也有類似的機制，使大腦中神經環路調節穩定。
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