光刺激

光刺激（英文：Optical Stimulation），广义上指利用光作为能量或信息载体，对生物系统（特别是神经系统）进行非侵入性或微创性调控的技术。在神经科学领域，它特指以光遗传学为核心的、利用特定波长的光精确控制特定神经元活动的革命性方法。

核心原理与技术

光刺激依赖于将光敏感蛋白（光敏蛋白）在目标细胞中进行基因靶向表达，随后用特定波长的光照射，从而调控细胞活动。

1. 光遗传学

• 原理： 将来自微生物（如藻类、细菌、古菌）的光敏感离子通道或泵的基因，通过病毒载体或转基因动物技术，导入特定类型的神经元中。这些蛋白在神经元膜上表达后，光照射可瞬间改变其构象，从而控制离子流动，实现神经元活动的毫秒级、细胞类型特异性的激活或抑制。

• 主要光敏工具：

  • 激活工具：

    • ChR2： 蓝光敏感的非选择性阳离子通道，光照引起钠离子内流，使神经元去极化并产生动作电位。

    • ChR2变体： 如ChETA（更快动力学）、Chronos（更敏感）。

  • 抑制工具：

    • NpHR： 黄光敏感的氯离子泵，光照引起氯离子内流，使神经元超极化并抑制放电。

    • Arch： 绿光敏感的质子泵，将质子泵出细胞，产生超极化。

    • GtACR： 蓝光敏感的阴离子通道，产生强效抑制。

2. 化学遗传学与光控化学遗传学的结合

• 原理： 设计对光敏感的化学受体。例如，将光敏结构域与GPCR偶联，创造出“光控GPCR”。光照可激活该受体，模拟内源性神经递质的作用，但具有光控的时空精度。

3. 非遗传学方法的光刺激

这些方法不依赖基因改造，但通常精度较低：

• 红外神经刺激：

  • 原理： 利用脉冲式近红外光产生的瞬时热效应，引起细胞膜电容变化，从而去极化神经元。优点是无须外源基因，可刺激深层组织。

• 紫外光解笼锁化合物：

  • 原理： 将神经递质或第二信使分子“笼锁”，使其失去活性。用紫外光瞬间照射可“解笼锁”，快速释放活性分子，实现对化学信号的精确时空控制。

• 上转换纳米粒子：

  • 原理： 注射能被近红外光激发的纳米粒子，后者发出可见光，可激活周围表达光敏蛋白的神经元。从而实现无创的深部脑区光遗传学刺激。

在神经科学研究中的应用

光刺激（尤其是光遗传学）彻底改变了神经环路功能的研究范式：

1. 解析神经环路的因果性： 可精确回答“激活/抑制某类神经元是否足以引发或中止某种行为”。

2. ** mapping 神经连接： 结合通道视紫红质辅助的环路追踪**技术，可解析单突触输入。

3. 研究神经编码： 通过精确控制神经元放电的时间、频率和模式，探究其信息编码原理。

4. 动物行为调控： 在自由活动的动物中，实时操控特定神经环路，观察其对学习、记忆、情绪、运动、社交、成瘾等复杂行为的影响。

5. 疾病模型研究： 在帕金森病、癫痫、抑郁症等动物模型中，操控特定环路以探明病理机制并测试潜在干预靶点。

潜在治疗应用（转化医学）

光刺激正从研究工具向临床治疗迈进：

1. 恢复视力：

   • 在视网膜退行性疾病中，向残留的视网膜细胞导入ChR2基因，使其获得光敏感性，从而绕过受损的感光细胞，直接刺激下游神经元，产生视觉信号。

2. 治疗癫痫：

   • 向癫痫灶的抑制性神经元表达ChR2，或在发作初期检测到异常放电时，自动触发光刺激以抑制癫痫活动（闭环光遗传学控制）。

3. 治疗帕金森病：

   • 靶向调控基底神经节环路中的特定神经元亚群，以期更精准地改善运动症状并减少DBS的副作用。

4. 治疗疼痛：

   • 激活脊髓或脑干的下行镇痛通路中的抑制性神经元。

5. 脑机接口：

   • 作为闭环神经调控系统的一部分，提供高精度的神经反馈。

优势与挑战

• 优势：

  • 细胞类型特异性（基因靶向）。

  • 毫秒级时间精度。

  • 可逆性（光开/光关）。

  • 与电生理、成像、行为学完美兼容。

• 挑战与伦理：

  • 临床转化： 需要安全的基因递送载体、长期表达稳定性、免疫反应控制。

  • 光递送： 开发更高效、更少侵入性的光递送系统，以刺激深部脑区。

  • 伦理考量： 应用于非人灵长类及未来可能的人体时，需审慎评估长期安全性和神经伦理问题。

参考文献

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