光遗传学概述 PPT

光遗传学技术与光起搏：心电生理研究中的新手段[摘要] 光遗传学是2006年提出的一个将光控技术和遗传学技术相结合的新概念，以遗传学技术将光敏感蛋白表达于可兴奋的靶细胞或靶器官上，利用相应波长的光照激活光敏感蛋白以实现对细胞、组织、器官及动物生理功能的精准调控。

该技术于2010年被引入心电生理研究，有离体及在体实验证实利用光遗传学技术实现光起搏心脏的可能性。

研究表明光照刺激可引起心肌细胞电兴奋、恢复心肌细胞电传导、实现心脏再同步化，甚至可以模拟缓慢性、快速性心律失常。

随着光敏感蛋白种类与功能的发掘、其转入心肌细胞方式和锚定心脏靶点多样化的研究，及安全便捷的光照条件和设备的研发，光遗传学技术与光起搏将成为临床心电生理研究及心律失常治疗等的重要新手段。

[关键词] 光遗传学光起搏光遗传学（optogenetics）这一概念由Deisseroth等于2006年首次提出[1]，是指一种将光控技术和遗传学技术相结合用以进行细胞生物学研究的新技术，即将光敏感的离子通道蛋白表达于可兴奋的靶细胞或靶器官上，利用相应波长的光照激活光敏感通道以实现对细胞、组织、器官及动物生理功能的精细调控。

光遗传学技术原理的最初应用源于2002年Zemelman等将光敏感蛋白导入靶细胞进行神经活动的研究[2]，此后光遗传学技术在大脑神经环路、神经功能调控的研究中得到了迅速发展，并于2011年被《Nature Methods》杂志评为2010年度技术[3]。

2010年Arrenberg[4]和Bruegmann[5]先后将光遗传学技术引入斑马鱼及转基因小鼠的心脏节律控制研究，使光遗传学技术成为了心电生理研究的一个新手段[6-10]。

本文拟就光遗传学技术及其在心脏电生理研究中的现状与前景介绍如下。

一、光遗传学技术的原理与实施光遗传学技术转化应用的原理是以特定波长的外源光照射（刺激）激活或抑制表达在哺乳动物细胞或体内的光敏感蛋白，因光敏蛋白活性的改变进而调控靶细胞生物学行为，因此光敏感蛋白是该技术中一个至关重要的元件。

神经疾病与光遗传学神经疾病是一类严重影响人类生活和健康的疾病。

由于神经系统是人体控制和协调各组织器官活动的中枢系统，当神经系统发生异常时，人类的心理、生理和行为都会受到影响。

传统的治疗方法包括手术、药物和放疗等，然而这些方法在治疗一些治疗难度较大的神经疾病方面并不十分有效。

光遗传学作为新型的神经调控方法，有望成为神经疾病治疗的新途径。

一、光遗传学简介光遗传学是近年来快速发展的神经调控和影响神经细胞生理活动的新技术。

光遗传学技术是将自然系统中存在的光敏蛋白为工具，利用光的信号来控制神经元的膜电位，从而影响神经元的活动。

光遗传学技术主要包括光遗传操纵、光遗传学成像和光电子离域光谱等，能够通过定向光刺激和多通道神经激光照射控制神经元的活动。

二、光遗传学在神经疾病治疗方面的应用目前，已有许多研究者在神经疾病治疗方面应用光遗传学技术，取得了一定的成果。

治疗依赖于光遗传学技术的神经疾病包括：帕金森症、抑郁症、焦虑症和癫痫等。

这些疾病的治疗方案不同，但原理相同，均需要利用光遗传学技术对神经细胞进行调节和控制。

例如，帕金森症是一种常见的神经肌肉系统疾病，是由于黑质神经元的缺失，影响了神经肌肉系统的正常活动。

目前，利用光遗传学技术进行帕金森症的治疗，主要是利用深层脑刺激技术，通过选择性激活黑质神经元，对病人的神经肌肉系统产生正面影响，从而达到治疗效果。

类似的，抑郁症、焦虑症、癫痫等神经疾病也可以通过光遗传学技术进行治疗。

具体来说，可以选择一些光感受蛋白，如离子通道蛋白，对神经元进行激光照射或者光敏性核酸操作，通过刺激神经元活动，进而实现治疗效果。

三、光遗传学技术开发和未来发展尽管光遗传学技术已经在神经疾病治疗方面取得一定的进展，但是目前光遗传学技术还存在一些缺陷。

一方面，由于神经元在体内的位置分布相对复杂，光遗传学技术操作难度较大。

另一方面，光遗传学技术在体内照射时，光的穿透能力较差，限制了技术的应用范围。

未来，光遗传学技术需要进一步地开发和完善，从而实现杂乱无章的神经神经元的精确定位。

学习笔记之光遗传学光遗传学方法研究生物大脑光遗传学（optogenetics），即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），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。

概述光遗传学，是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞。

这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。

光遗传学（optogenetics）——结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），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。

科学研究光影响小白鼠的大脑斯坦福大学的研究人员现在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。

他们把这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)。

这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。

斑马鱼幼虫细胞中靶向插入光敏开关研究人员在清醒的斑马鱼幼虫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—幼虫典型的周期性摆尾。

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。

Opto genetics光遗传学原理及应用TeoLinc（泰耳光电）光遗传演讲PPT光遗传学基本原理光遗传学基本操作光遗传学应用光遗传学与电生理Karl Deisseroth, M.D., Ph.D.光遗传学之父FENG ZHANG, Ph.D.成功的老板后面有一群成功的学生Opto genetics 2005—2015Opto genetics基本原理光感蛋白表达光感蛋白被光激活光感蛋白470nm 蓝光 兴奋性通道 590nm 、566nm 黄光 抑制性性通道藻类土壤或水体 盐碱古菌 盐湖 光感蛋白Problems of WT ChR2Development of ChR2（E123T）MAX: 200HzProblems of WT NpHR NpHR在内质网内大量堆积Development of NpHRDevelopment of BROpto genetics 基本操作Opto genetics 光学控制操作遗传操作 光源（激光/LED ）光纤、跳线等 病毒表达 或转基因病毒表达病毒注射 promoter opsin 质粒AA V 病毒病毒表达 pAAV-hSyn -Con/Fon hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-CamKII -hChR2 (T159C)-p2A-EYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-hSyn -eNpHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa -eNpHR3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP Promoter ： 特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos 广谱: Syn ，Thy1 Cre/loxp 系统：DIO+cre transgenic mice转基因Thy1-ChR2-eYFP ai27,ai32,ai35,ai39Loxp-ChR2-mCherryLoxp-ChR2-eYFPLoxp-Arch-eYFPLoxp-NpHR-eYFPAi39+PV-cre光学操作Laser LED套管光源控制器插芯Opto genetics的应用精确控制特异脑区甄别细胞类型控制特异细胞控制特异环路Optogenetics对海马dCA1进行精确操控Inbal Goshen,et al.,cell,2011Optogenetics对mPFC延时电活动进行精确操控Ding Liu, et al.,science,2014Optogenetics直接证明记忆痕迹的存在记忆存在哪里？记忆是否有痕迹？Xu Liu, et al.,nature,2012Optogenetics研究特异类型细胞功能兴奋性神经元和抑制性神经元（interneuron)posterior dorsal subdivision of medial amygdala(MeApd)Weizhe Hong,et al.,cell,2014Optogenetics研究特异类型细胞功能PV interneuron SOM interneuronSteffen B. E. Wolff,et al.,nature,2014 Matthew Lovett-Barron, et al.,science,2014Optogenetics研究特异环路功能BLA-CeA circuitTye KM,et al.,nature,2011Opto genetics与活体电生理在体多通道记录系统光遗传学系统光电极甄别细胞类型光电一体系统Opto genetics与Patch clamp光感蛋白功能验证是否可以在脑片上研究环路？怎么做呢？Opto genetics与Patch clampPolygon 400任性刺激形状编辑，多点、多波长同时刺激Polygon 400与Patch clamp操作实例安装简单方便BLA Auditory cortex thalamus Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex输入环路整合Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex 470nm 470nm ChR2-mCherry ChR2-eYFP输入环路整合New York, New York, USA亚细胞结构刺激University of Western Sydney, AustraliaRice University, Houston未完待续。

光遗传学介绍
光遗传学是一种利用光来控制神经元或其他细胞类型活动的生物技术。

它结合了遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，从而为研究脑部功能及治疗脑相关疾病提供了新的工具。

光遗传学的基本原理是通过在靶细胞中特异性表达光敏离子通道或泵，使光能激活或抑制这些通道或泵，从而控制细胞的兴奋性。

这个领域的技术利用了基因操作技术，将外源光敏蛋白导入神经元，以在细胞膜上进行光敏通道蛋白的表达。

然后利用特定波长的光照射，激活或关闭光敏通道蛋白，以控制离子通道。

光遗传学技术有许多应用，包括在神经科学研究中选择合适的光敏蛋白以精确控制特定神经元活动，在医学应用中控制一组基因定义的神经元活动以了解它们对决策、学习、恐惧记忆、交配、成瘾、进食和运动的贡献，以及在绘制大脑的功能连接图和确定细胞和大脑区域之间的统计依赖性等方面。

光遗传学自2005年被提出以来，已经取得了许多重要的突破和进展。

例如，研究人员可以通过使用光遗传学技术来绘制大脑的功能连接图，以及通过使用成像和电生理学技术记录其他细胞的活动。

此外，光遗传学还被用于治疗失明和帕金森病等疾病的临床试验。

总的来说，光遗传学是一种强大的技术，为科学家提供了更深入地了解大脑工作机制的新工具，也为治疗脑相关疾病提供了新的可能性。

光遗传学利用光遗传学技术研究神经系统功能与疾病光遗传学是一种通过遗传的方式操纵动植物细胞中的光敏蛋白，进而控制细胞活动的技术。

近年来，光遗传学已经被广泛应用于研究神经系统功能与疾病，为神经科学的发展带来了革命性的突破。

一、光遗传学技术的原理和应用光遗传学技术通过将光敏蛋白基因导入目标神经细胞，使其能够产生光敏的反应。

这些光敏蛋白包括视蛋白、光探测蛋白和离子通道蛋白，能够在光刺激下改变细胞的膜电位，从而影响神经细胞的活动。

光遗传学技术主要通过两种方式实现神经元的光激活和光抑制。

一种是利用离子通道蛋白如ChR2、NpHR等，光激活或光抑制神经元的电活动；另一种是利用光诱导酶如LOV蛋白，光诱导特定基因的转录和翻译。

通过光遗传学技术，研究人员可以精确地操纵特定神经元的活动，控制神经电活动的时序、空间和频率。

这使得科学家们能够深入探索神经回路的功能和行为行为相关的神经机制。

二、光遗传学在神经系统功能研究中的应用1. 神经元识别和连接关系研究。

通过光遗传学技术可以标记特定神经元亚群体，识别神经元的类型和位置。

同时，研究人员还可以利用光遗传学技术调控神经元连接关系，解析神经回路的组织和功能。

2. 神经传导研究。

光遗传学技术可以模拟或抑制神经元之间的突触传导，研究突触传递机制和神经电活动的调控过程。

这对于揭示神经信号传导的原理和调控机制具有重要意义。

3. 行为学研究。

通过光遗传学技术可以实现对动物行为的精确控制。

例如，利用光遗传学技术可以激活或抑制特定神经元群体，观察其对特定行为的影响，进而揭示行为和神经机制之间的关系。

三、光遗传学在神经系统疾病研究中的应用1. 精神类疾病研究。

光遗传学技术可以模拟疾病相关基因突变，研究特定基因突变对神经系统功能的影响。

这有助于理解精神类疾病的发生机制，并为相关药物的研发提供新的靶点。

2. 癫痫和帕金森病研究。

光遗传学技术可以通过光激活或光抑制神经元活动，探索癫痫和帕金森病等神经系统疾病的发病机制。