使用光子作为神经递质来控制神经元的活动

我们的大脑由数十亿个神经元组成，它们相互连接形成复杂的网络。它们通过在称为突触传递的过程中发送称为动作电位的电信号和称为神经递质的化学信号来相互通信。化学神经递质从一个神经元释放，扩散到其他神经元并到达目标细胞，产生激发、抑制或调节细胞活动的信号。这些信号的时间和强度对于大脑处理和解释感官信息、做出决定和产生行为至关重要。

控制神经元之间的连接将使我们能够更好地理解和治疗神经系统疾病，在受损后重新连接或修复神经回路的故障，提高我们的学习能力或扩展我们的行为集。有几种方法可以控制神经元活动。一种可能的方法是使用药物，改变大脑中化学神经递质的水平并影响神经元的活动。另一种方法是使用应用于特定大脑区域的电刺激来激活或抑制神经元。第三种可能性是使用光来控制神经活动。

使用光子来控制神经元活动

使用光来操纵神经元活动是过去探索过的一种相对较新的技术。它涉及对神经元进行基因改造，以在目标细胞中表达光敏蛋白、离子通道、泵或特定酶。这项技术使研究人员能够以更高的精度精确控制具体神经元群的活动。但是，有一些限制。当光在脑组织中散射时，它需要非常靠近神经元才能在突触水平上获得足够的分辨率。因此，它通常是侵入性的，需要外部干预。此外，到达目标细胞所需的强度可能对它们有害。

为了克服这些挑战，一组 ICFO 研究人员在Nature Methods中提出了一个系统，该系统使用光子而不是化学神经递质作为控制神经元活动的策略。ICFO 研究人员Montserrat Porta、Adriana Carolina González、Neus Sanfeliu-Cerdán、Shadi Karimi、Nawaphat Malaiwong、Aleksandra Pidde、Luis Felipe Morales和Sara González-Bolívar由Michael Krieg 教授以及Pablo Fernández和Cedric Hurth领导, 开发了一种使用荧光素酶、发光酶和光敏离子通道连接两个神经元的方法。

他们在秀丽隐杆线虫蛔虫中开发并测试了一个名为 PhAST 的系统(光子作为突触传递器的缩写)，这是一种广泛用于研究特定生物过程的模式生物。类似于生物发光动物如何使用光子进行交流，PhAST 使用荧光素酶来发送光子，而不是化学物质，作为神经元之间的传输器。

用光子代替化学神经递质

为了测试光子是否可以编码和传输两个神经元之间的活动状态，该团队对蛔虫进行了基因改造，使其具有有缺陷的神经递质，使它们对机械刺激不敏感。他们旨在使用 PhAST 系统克服这些缺陷。其次，他们设计了发光酶荧光素酶，并选择了对光敏感的离子通道。为了跟踪信息流，他们开发了一种装置，可以向动物的鼻子传递机械应力，同时测量感觉神经元中的钙活性，这是最重要的离子和细胞内信使之一。

为了能够看到光子和研究生物发光，该团队之前通过简化荧光显微镜设计了一种新显微镜，去除了所有不必要的光学元件，如滤光片、反射镜或激光本身，并通过机器学习来辅助降低噪声来自外部光源。

研究人员随后测试了 PhAST 系统在几个实验中的工作情况，并成功地使用光子传输神经元状态。他们能够在两个未连接的细胞之间建立新的传输，恢复有缺陷电路中的神经元通信。他们还抑制了动物对疼痛刺激的反应，将它们对嗅觉刺激的反应从吸引行为转变为厌恶行为，并研究了产卵时的钙动力学。

这些结果表明，光子确实可以充当神经递质并允许神经元之间的通信，并且 PhAST 系统允许对动物行为进行综合修改。

光作为信使的潜力

光作为信使为未来的潜在应用提供了广泛的范围。由于光子可用于其他类型的细胞和几种动物物种，因此它对神经科学的基础研究和临床应用具有广泛的影响。

使用光来控制和监测神经元活动可以帮助研究人员更好地了解大脑功能和复杂行为的潜在机制，以及不同大脑区域如何相互通信，提供具有更高空间和时间分辨率的大脑活动成像和映射的新方法。它还可以帮助研究人员开发新的治疗方法，例如，无需侵入性手术即可修复受损的大脑连接。

然而，该技术的广泛使用仍然存在一些限制，生物发光酶和离子通道的工程或分子靶向的进一步改进将允许以非侵入性和更高的特异性光学控制神经元功能和精度。