科學家研發適用於活體神經調控的柔性光遺傳技術

國際學術期刊Advanced Optical Materials近日在線發表了中國科學院深圳先進技術研究院－MIT麥戈文聯合腦認知與腦疾病研究所研究團隊的最新成果Ultra-soft and Highly Stretchable Hydrogel Optical Fibers for In Vivo Optogenetic Modulations（DOI:10.1002/adom.201800427）。該研究首次採用柔性可拉伸的水凝膠光纖，在動物活體水平實現了對目標神經元的選擇性調控。這一「在體柔性光遺傳技術」的建立，有望為神經精神疾病的治療提供新的工具。

由於光遺傳技術同時兼具毫秒級的時間解析度和細胞選擇性，已經被廣泛地應用於神經環路的精準解析和調控，並且在神經精神疾病的治療研究中展現出了巨大的應用潛力。目前，在實施活體水平光遺傳學調控的過程中，研究者主要是通過埋置在體內的石英光纖將特定波長的激光導入，從而實現對目標神經組織的選擇性調控。然而，由於傳統的石英光纖具有較高的楊氏模量（1-10GPa），與神經組織（1-10kPa）極不匹配，長期植入後可能會引發光纖周圍神經組織的反覆損傷，降低調控的效果。更為重要的是，傳統光纖與神經組織之間巨大的力學性能差異，嚴重限制了光遺傳技術在大形變神經組織（例如脊髓、視神經、迷走神經、坐骨神經等）中的應用。

為了解決上述問題，研究團隊合成了具有高導光性的海藻酸鈉-聚丙烯醯胺水凝膠材料，並且在此基礎上製備出了直徑為100-600微米的水凝膠光纖。製備的水凝膠光纖具有優異的光學和力學性能，在空氣中測得的光傳導損失率僅為0.25dB/cm，楊氏模量與神經組織接近（約60kPa），並且能反覆拉伸至初始長度的400%以上。藉助這種水凝膠光纖，可以穩定地誘發出神經元的特異性相應，並實現對動物行為的控制。此外，與傳統的石英光纖相比，這種水凝膠光纖具有更佳的組織相容性。並且在經過長期的體內埋植後，水凝膠光纖仍能基本保持原有的光學和力學性能。得益於上述特性，團隊研發的水凝膠光纖將為光遺傳技術在脊髓和周邊神經的應用乃至未來的臨床化發展提供重要的技術支持。

王璐璐和鍾成為論文的共同第一作者，研究員王立平和副研究員魯藝為共同通訊作者。這項工作是上述團隊繼光電極及神經界面技術後（Biomaterials，2012；Journal of Neuroscience Methods，2014；Nature Communications，2016；Electrochemistry Communications，2017），在光遺傳學技術領域取得的又一重要進展。該研究受國家自然科學基金委、中科院、廣東省科技廳、深圳市科技創新委、深圳市發展改革委等部門項目的資助。

圖1. 水凝膠光纖的在體應用

圖2. 光遺傳刺激顯著增加了小鼠的轉圈行為

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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