浅析光遗传学技术在睡眠觉醒核团研究中的应用

睡眠是高等脊椎动物普遍的生理机制，并且是维持人体特别是大脑功能所必需的一种行为。在日常生活中睡眠不足会导致疲惫、记忆力和注意力下降。在动物实验中，长时间的睡眠剥夺最终会诱发动物免疫力下降、运动能力下降、体温调节机制紊乱、下丘脑功能严重紊乱，甚至导致多器官功能不全而死亡。睡眠紊乱的相关疾病也是困扰患者的棘手问题。因此有许多神经科学研究步入睡眠与觉醒调节机制的领域，开展了许多关于睡眠 - 觉醒神经核团及环路研究。

在这些研究中，应用了多种神经生物学以及细胞生物学方法，如电生理、荧光标记、钙成像技术、免疫组化技术、手术切除相应核团以及应用各种神经递质受体的激动剂和拮抗剂等。在众多方法中，光遗传学技术近年来脱颖而出。2005 年 Deisseroth 的实验室第一次把视紫红质通道蛋白 2(ChR2) 表达于离体哺乳动物海马神经细胞中，控制其电活动以及神经递质释放 。之后光遗传学技术飞速发展，结合了基因工程技术和前沿的光学技术在动物实验中广泛应用。由于其可在特定时间、特定细胞精确性表达而成为时下生命科学以及神经科学研究的有力工具。本文就光遗传学技术应用于睡眠 -觉醒神经核团及环路研究的成果进行综述。

光遗传学技术在睡眠觉醒核团研究中的应用

光遗传学技术对脑区睡眠觉醒的核团进行光刺激，需要在特异性的细胞中找到合适的光遗传蛋白表达，根据实验目的进行蛋白工具的选择，兴奋性的视蛋白主要有 ChR2，抑制性的视蛋白主要有 NpHR( 嗜盐菌紫质 ) 和 Arch( 苏打红盐菌的视蛋白 ) 等 。视蛋白需与某一种荧光蛋白如黄色荧光蛋白 (YFP)、增强型绿色荧光蛋白 (GFP) 和增强型红色荧光蛋白 (mCherry) 等同时表达，以检验其是否正常表达同时便于观察神经元和神经环路的具体位置。这些已经选定的视蛋白和荧光蛋白结合的基因片段需要通过特殊的病毒载体转染于目标神经细胞。载体包括腺相关病毒、慢病毒等。为了特异性表达，同时还需要基因工程技术将含有 Cre 酶的基因片段表达于相关特异性细胞中，如胆碱能神经元、GABA 能神经元、Orexin 能神经元等调节睡眠觉醒的神经元中。

最近的一项动物研究发现，一种犬腺病毒 2 载体可以注射于小鼠脑内神经元轴突末端的区域，经过长距离的逆行性转导，使所有神经元胞体表达视蛋白。在上述工作完成后就需要在相应部位置入光纤导管，根据视蛋白种类选择不同波长的光来刺激动物的特定区域，实现神经元的快速兴奋或抑制，而光刺激模式的选择则需要结合不同的神经元类型在实验中摸索。有研究者也发明了无线光遗传学技术，将胡椒大小的电子器件置入小鼠大脑，无线光刺激后对小鼠的运动产生影响，可以减少对小鼠正常活动的干扰。这一技术可以对小鼠睡眠环境产生更小的影响，与光纤导管相比有着独特的优势。