光遗传学（生物学科专业术语）

光遗传学（生物学科专业术语）

光遗传学 （生物学科专业术语） 次浏览 | 2022.09.18 13:37:55 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 光遗传学生物学科专业术语

光遗传学（optogenetics），即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞活动的方法，相关技术可以发现脑部如何产生γ波（gamma oscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。

名称

光遗传学

研究范围

通过使用光学技术和遗传技术来实现控制细胞行为的方法

研究对象

光刺激基因工程

著名专家

艾德·博伊

简介光遗传学

光遗传学（optogenetics）是结合遗传工程与光这一新的光控方法来选择和打开某种生物的某一类细胞，并操作个别神经细胞的活动，发现脑部如何产生γ波（gamma  oscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据的崭新学科。它可以帮助科学家在体研究特定组织细胞，如某类神经元细胞的功能，在此基础上，可进一步分析病理生理情况下这些细胞的生物学功能的变化，并可通过感光刺激影响调节特定神经元细胞的功能。 

光遗传学克服了传统的只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点，为神经科学提供了一种变革性的研究手段。这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。光遗传学被《自然》杂志评选为“2010年度最受关注科技成果技术”之一。

概念提出

2006 年，卡尔·迪赛罗斯（Karl Deisroth）首次提出光遗传学（Optogenetics），并与26岁的爱德华·博伊登（Edward Boyden）一起，开创光遗传学时代。[1]

光遗传学技术最先是由斯坦福大学的研究人员用于神经生物学实验研究的，是一种通过使用光学技术和遗传学技术结合来实现控制细胞行为的方法，他们将这项技术称之为Optogenetics（optical stimulation plus genetic engineering光刺激基因工程/光遗传学）。该技术的关键是：先给动物的某种特定细胞转入一种特殊基因，这种基因表达产物能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，再利用不同颜色的激光照射来激活或者抑制细胞的功能。

研究方法和特点

光遗传学技术的运用包括四个步骤：

第一、找寻合适的光敏蛋白。蛋白质可以是具有天然的光敏性，也可以是经过化学修饰而具有光敏性。

第二、遗传信息传递。通过转染、病毒转导、转基因动物系的建立等方式将光敏蛋白的遗传信息传递给目标细胞。

第三、可控性演示。通过从时间和空间上控制演示光线的特定性，实现对细胞活动的精确演示。

第四、读取研究结果。可采用电极通过检测细胞膜内外电压来测量光敏蛋白的荧光效果变化，并可用荧光性生物传感器来检测不同细胞的读出值。

最后，通过行为测试来评估调整细胞活动对整个动物的影响。

科学研究

光影响小白鼠的大脑

斯坦福大学的研究人员可以使用光来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来，甚至是重新走路。

斑马鱼幼鱼细胞中靶向插入光敏开关

研究人员在清醒的斑马鱼幼鱼的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—典型的周期性摆尾。这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发，因为哺乳动物也有类似的细胞。此外，这项研究也凸现了新技术的亮点，使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位可以轻松研究某一类型的细胞。

人的神经病学疾病

研究表明在罹患精神分裂症与其他精神病学与神经病学疾病的患者身上（被扰乱）会出现γ波，光遗传学新工具给予科学家很大的机会来探索这些信号通路的功能。γ振荡反映出大型互连神经元网路的同步活动，以范围在每秒20 - 80周期的频率发射。这些振荡被认为由一种特殊的抑制细胞（inhibitory cells）称为快闪中间神经元（fast-spiking interneurons）所控制，但这一设想并未得到具体的证实。

为了测定哪些神经元负责驱动这种振荡，研究人员利用一种被称为 channelrhodopsin-2（ChR2，第二型离子通道视紫质）的蛋白，这种蛋白能使神经元对光敏感。通过结合遗传学技术，研究人员在不同类型的神经元中表达了ChR2，通过激光与遍及脑部的光纤，精确调控它们的活性。

技术应用

使用这些光遗传学（optogenetic）工具，能够激活清醒哺乳动物的单一神经元，并直接演示神经元激活表现出的行为结果。光遗传学方法使得研究人员能够获得关于脊髓回路的一些重要信息。这种新技术可以推广到所有类型的神经细胞，比如大脑的嗅觉、视觉、触觉、听觉细胞等。光遗传学开辟了一个新的让人激动的研究领域，可以挑选出一种类型的细胞然后发现其功能。

重要意义

光遗传学在大脑神经环路研究中的重要作用，对于包括神经分裂症和自闭症等方面的精神疾病的治疗具有重要意义。

未来展望

光遗传学技术是神经生物学研究的重要突破，利用该技术开展的基础研究，将对人类脑功能的认识产生深远的影响。如果病毒载体基因导入在人体被证实是安全的，光遗传学技术将来有可能被用于多种神经/精神疾病，如帕金森氏病、阿尔茨海默病、脊髓损伤、精神分裂症等的治疗。光遗传学技术还可以与其他神经生物学研究工具有机结合，如功能性磁共振造影（fMRI），提高研究结果的准确性。

学科评价

随着光遗传学在神经科学领域的广泛应用和重要性的日趋凸显，不久的将来有望成为诺贝尔奖青睐对象。

参考资料