Nat Biomed Eng︱利用透过大脑的红外光调控深脑神经活动
责编︱王思珍
大脑作为人类最为神秘的器官之一，在人体中扮演着神经系统管理者的身份。而大脑的运作机理、不同脑区之间的交流方式、以及大脑神经元活动与行为之间的联系，一直都是神经科学家想要解决的难题。神经调控技术能够让研究者选择性地激发或抑制某一脑区或某一类别的神经元，进而通过观察神经调控引起的变化来研究这些神经元的作用[1-3]。除了最早用于研究的电学刺激方法[4]，近年来发展迅速的光遗传学技术可以用毫秒级的脉冲可见光来激活光敏离子通道蛋白，从而达到调控神经活动的目的[1-3]。然而，无论是电场还是可见光在大脑中传播时都会有很强的衰减[5-7]，因而传统的电学或光遗传学方法往往需要在大脑中植入侵入式的电极或光纤。这些永久性大脑植入物不仅会导致脑组织损伤，也会对研究对象的头部造成物理束缚，进而改变对象应有的行为学反应[8]。
2022年3月21日，美国斯坦福大学的洪国松课题组与新加坡南洋理工的浦侃裔课题组合作在Nature Biomedical Engineering上发表了题为“Tether-free photothermal deep-brain stimulation in freely behaving mice via wide-field illumination in the near-infrared-II window”的文章，报道了一项利用可穿透组织的近红外二区（NIR-II window, 1000-1700 nm）波段的电磁波，穿过完整的头皮与头骨，在自由活动的小鼠上调控深脑神经元活动的技术。
这篇工作的灵感，源自于2021年诺贝尔医学奖得主之一David Julius在人类温度感受的分子学机理方面的研究工作。Julius发现，人类对不同温度的感受源自于一组名为瞬态感受器电位离子通道（transient receptor potential（TRP ）channels）的膜蛋白。不同的TRP蛋白对不同范围的温度产生响应，控制膜内外离子的进出，从而将温度信息转化为细胞间通用的电信号[9]。其中，一个称为TRPV1（transient receptor potential cation channel subfamily V member 1）的离子通道是Julius首个发现的TRP家族中对高温敏感的蛋白[10]。更有趣的是，Julius之后的研究工作表明，响尾蛇感应红外线的分子学机理，也同样是TRP蛋白家族[11]。具体地，位于响尾蛇名为颊窝的特殊器官内的TRP蛋白可以感应红外辐射的热效应，从而使其感知到人类视觉系统所看不到的热影像。
图1（a）NIR-II神经调控技术示意图；（b）MINDS 设计示意图；（c）NIR-II光照下小鼠大脑冠状切面明场照片与热影像。
（图源：Wu, X et al., Nat Biomed Eng, 2022）
受到这些工作的启发，两个课题组的研究人员提出一个设想：能否利用自然中响尾蛇感应红外光的机理，让哺乳动物脑内的神经元表达TRP蛋白，从而实现用近红外光调控深脑神经活动的目的（图1a）？相比起传统光遗传学使用的可见光，近红外光在高度散射的生物组织中有更深的穿透深度，因而更加适合作为光学神经调控技术中的能量传递介质[12]。具体地，研究者们通过模拟计算发现，位于1064-nm左右的NIR-II光是整个可见至近红外光谱内在大脑中穿透深度最深的。然而，即便是组织穿透深度较深的NIR-II光，其强度在脑组织中仍会因散射和吸收而衰减，其中被吸收的部分则会转变为热。因此，若要激发位于深脑部位的表达TRPV1的神经元，就需要从上方入射强度很高的NIR-II光。这些高强度NIR-II光在被浅层脑区吸收后会产生比深脑部位高得多的温度升高，进而改变神经元放电模式，甚至造成不可逆的脑组织热损伤[13,14]。
这个问题的一种解决方法，即让深脑的神经元比浅层脑区的细胞对NIR-II光更加敏感。为此，两个课题组的研究者们设计了一种名为MINDS（macromolecular infrared nanotransducers for deep brain stimulation）的纳米传导器（图1b），来高效地吸收穿透至深脑的NIR-II光并将其转化为热。具体地，MINDS在1064-nm的光热转换效率高达71%。研究者们在实验上证明，位于5毫米深脑处的MINDS在NIR-II光照作用下会产生比浅层脑区更高的局部升温（图1c）。MINDS优越的光热性能可以使局域的表达TRPV1的神经元对NIR-II更加敏感，从而使得在安全辐射范围内的NIR-II神经调控成为可能。
图2 （a）VTA多巴胺神经元的TRPV1转染与MINDS注射实验示意图；（b）Y迷宫条件性位置偏爱实验照片；（c）不同实验条件下小鼠的位置偏爱分布。
（图源：Wu, X et al., Nat Biomed Eng, 2022）
为了验证这项NIR-II神经调控技术的可行性，研究者们选择性地在位于小鼠大脑腹侧被盖区（VTA）的多巴胺神经元中转染了TRPV1通道蛋白，并将MINDS注射至同一脑区（图2a）。这些位于VTA的多巴胺神经元在大脑的奖赏回路中有着非常重要的作用[2]。在实验中，研究者们用Y迷宫中的条件性位置偏爱实验来研究NIR-II神经调控的效果。具体地，研究者们在Y迷宫三个臂的末端内壁上标记不同的黑白条纹，并仅在某一个臂的末端处照射NIR-II光（图2b）。值得注意的是，实验中NIR-II的光源放置于小鼠头部上方约一米处，并没有其他任何的器件置于小鼠头部附近。在经过连续三天的训练后，实验组的小鼠学会了在NIR-II导致的多巴胺分泌（也就是奖赏）与有NIR-II照射的末端内壁的条纹图案之间建立联系，因此在随后的测试中表现出很强的对有NIR-II照射的末端的位置偏爱。相比之下，缺少TRPV1转染或者MINDS注射的对照组小鼠则没有展现出类似的位置偏爱。这些实验结果，以及文章中的电生理与组织切片等数据，证明了NIR-II深脑神经调控技术的可行性。
尽管有上述许多优点，这项最新报道的技术也存在可改进的地方。首先，NIR-II神经调控技术的响应时间为几秒，因而这项技术不适合用于研究时间尺度在毫秒级的神经学问题。尽管如此，许多行为学的现象与神经系统疾病发生在以天或年为单位的时间尺度上，并且其他一些响应时间在分钟级的神经调控技术（如化学遗传学）也在神经学的研究中获得了广泛的应用。因此，这项消除了大脑植入物与物理束缚的NIR-II神经调控技术，更适合应用于涉及多对象社会交互的行为学实验中。另外，尽管这项技术在调控神经活动时是非侵入式的，但是TRPV1通道蛋白的转染与MINDS的注射仍需侵入式的脑部手术。这可由未来的通过血液循环的转染与纳米材料递送方法进行改进。
综上所述，这篇最新的工作报道了一项利用NIR-II光穿过完整的头皮与头骨，来调控小鼠深脑中表达TRPV1通道蛋白并被MINDS敏化的神经元。作为传统光遗传学的一种延展，这项技术为多对象社会交互行为学实验中的神经调控提供了可能。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-022-00862-w
第一作者武翔（第二排左二），通讯作者洪国松（第二排左一）
（照片提供自：洪国松实验室）
【1】Neurosci Bull综述︱ 阿尔茨海默病体液生物标志物的研究进展、问题及前景
【2】Current Biology︱陈忠团队在组胺调控摄食机制方面取得新成果：H2受体依赖的内侧隔核组胺能回路
【3】Nat Commun︱郭明团队发现线粒体分裂新机制和防治帕金森病新靶点
【4】Front Cell Neurosci︱施鹏/刘振课题组合作揭示多种因素感音性听力损失的共有分子机制
【5】Cell Death Dis︱李纤课题组揭示少突胶质前体细胞铁死亡在脑出血后白质损伤中的作用
【6】Front Mol Neurosci︱高尚邦课题组解析运动神经元震荡子的构成与分子机制
【7】Nat Neurosci综述︱双光子全息光遗传学技术探测神经编码
【8】Mol Psychiatry︱生物钟基因Bmal1在自闭症及小脑共济失调的小鼠模型中的作用
【1】科研技能︱第四届近红外脑功能数据分析班（线上：2022.4.18~4.30）
【2】科研技能︱磁共振脑网络分析入门班（线上：2022.4.6~4.16）
【4】单细胞测序与空间转录组学数据分析研讨会 （2022.4.2-3 腾讯在线）
参考文献（上下滑动查看）
1, Fenno, L., Yizhar, O. & Deisseroth, K. The development and application of optogenetics. Annu. Rev. Neurosci. 34, 389–412 (2011).
2, Tsai, H.-C. et al. Phasic firing in dopaminergic neurons is sufficient for behavioral conditioning. Science 324, 1080–1084 (2009).
3, Montgomery, K. L. et al. Wirelessly powered, fully internal optogenetics for brain, spinal and peripheral circuits in mice. Nat. Methods 12, 969–974 (2015).
4, Lozano, A. M. et al. Deep brain stimulation: current challenges and future directions. Nat. Rev. Neurol. 15, 148–160 (2019).
5, Hong, G. & Lieber, C. M. Novel electrode technologies for neural recordings. Nat. Rev. Neurosci. 20, 330–345 (2019).
6, Hong, G., Antaris, A. L. & Dai, H. Near-infrared fluorophores for biomedical imaging. Nat. Biomed. Eng. 1, 0010 (2017).
7, Ledesma, H. A. et al. An atlas of nano-enabled neural interfaces. Nat. Nanotechnol. 14, 645–657 (2019).
8, Kim, T.-I. et al. Injectable, cellular-scale optoelectronics with applications for wireless optogenetics. Science 340, 211–216 (2013).
9, Julius, D. TRP channels and pain. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 29, 355-384 (2013).
10, Caterina, M., Rosen, T., Tominaga, M. et al. A capsaicin-receptor homologue with a high threshold for noxious heat. Nature 398, 436–441 (1999).
11, Gracheva, E. O. et al. Molecular basis of infrared detection by snakes. Nature 464, 1006–1011 (2010).
12, Hong, G., Antaris, A. L. & Dai, H. Near-infrared fluorophores for biomedical imaging. Nat. Biomed. Eng. 1, 0010 (2017).
13, Owen, S. F., Liu, M. H. & Kreitzer, A. C. Thermal constraints on in vivo optogenetic manipulations. Nat. Neurosci. 22, 1061–1065 (2019).
14, Nelidova, D. et al. Restoring light sensitivity using tunable near-infrared sensors. Science 368, 1108–1113 (2020).
制版︱王思珍
本文完