來自哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新方法，可以針對大腦中患病的神經(jīng)元，并利用光改變它們的長期行為，為癲癇和自閉癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在新療法鋪平了道路。

這項研究發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上。

“我們設(shè)想，這項技術(shù)將為神經(jīng)科學(xué)和行為研究的神經(jīng)元的高時空分辨率控制提供新的機會，并為神經(jīng)疾病開發(fā)新的治療方法，”生物工程助理教授、該研究的共同高級作者Jia Liu說。

光遺傳學(xué)，即利用光來刺激或抑制神經(jīng)元，長期以來一直有望徹底改變由神經(jīng)元興奮性過強或過弱引起的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究和治療。然而，目前的光遺傳技術(shù)只能在短期內(nèi)改變神經(jīng)元的興奮性。一旦光線熄滅，神經(jīng)元就會恢復(fù)到原來的行為。

納米技術(shù)的最新進展，包括劉和他的團隊首創(chuàng)的柔性可植入納米電子技術(shù)，可能會在長期內(nèi)改變神經(jīng)元的行為，但這些設(shè)備需要植入大腦，不能針對與疾病有關(guān)的特定神經(jīng)元進行編程。

神經(jīng)元的興奮性由兩個主要因素決定——它的離子通道導(dǎo)電性和細(xì)胞膜儲存電荷的能力，也就是它的電容。

大多數(shù)光遺傳技術(shù)以離子通道電導(dǎo)率為目標(biāo)，通過打開或關(guān)閉一組特定通道來調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性。這種方法可以有效地調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性，但只是短暫的。

“你可以把神經(jīng)元想象成一個電阻-電容電路，而細(xì)胞膜則是一種介電材料，”Jia Liu說。“就像任何電路一樣，如果你改變材料的電容——在這種情況下是細(xì)胞膜——你就可以改變電路的內(nèi)在興奮性，從高興奮性到低興奮性，反之亦然?！?/p>

為了改變細(xì)胞膜的電容，Liu與麻省理工學(xué)院化學(xué)助理教授 Xiao Wang合作，使用了能在細(xì)胞膜表面引發(fā)絕緣或?qū)щ娋酆衔镄纬傻墓饷裘浮?/p>

這些酶可以被設(shè)計成靶向特定神經(jīng)元的細(xì)胞膜。一旦酶附著在特定的膜上，研究人員用藍(lán)色波長的光照射神經(jīng)元，在幾分鐘內(nèi)觸發(fā)膜上絕緣或?qū)щ娡繉拥纳?。他們證明，具有絕緣聚合物涂層的神經(jīng)元變得更容易興奮，而具有導(dǎo)電聚合物涂層的神經(jīng)元變得不那么容易興奮。

研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過調(diào)節(jié)暴露在光線下的時間來調(diào)節(jié)興奮性——神經(jīng)元暴露在光線下的時間越長，涂層的絕緣性或?qū)щ娦跃驮綇?。研究小組還表明，只要他們能讓神經(jīng)元在培養(yǎng)皿中存活，興奮性的變化就會持續(xù)三天。

接下來，該團隊打算用腦組織切片和動物實驗來測試這種方法。

“這項工作的首要目標(biāo)是實現(xiàn)范式轉(zhuǎn)換方法，將功能材料、結(jié)構(gòu)和器件集成到具有亞細(xì)胞和細(xì)胞類型特異性的活神經(jīng)系統(tǒng)中，這將允許精確操縱亞細(xì)胞電化學(xué)特性，重塑活神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元的興奮性”。

該項目部分由空軍科學(xué)研究辦公室青年研究員計劃(FA9550-22-1-0228)、國家科學(xué)基金會(DMR-2011754)通過哈佛大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心(DMR-2011754)以及哈佛大學(xué)院長有前途獎學(xué)金競爭基金支持。

Journal Reference:

1. Chanan D. Sessler, Yiming Zhou, Wenbo Wang, Nolan D. Hartley, Zhanyan Fu, David Graykowski, Morgan Sheng, Xiao Wang, Jia Liu. Optogenetic polymerization and assembly of electrically functional polymers for modulation of single-neuron excitability. Science Advances, 2022; 8 (49) DOI: 10.1126/sciadv.ade1136