光遺傳學(xué)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療中的應(yīng)用

班德翔 向振洋 劉 洋 曹富江*

（天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院骨科，天津 300052）

光遺傳學(xué)（optogenetics）這一概念于2006年首次被提出[1]，以其毫秒級精準(zhǔn)的時(shí)間和空間精度的優(yōu)勢廣泛地運(yùn)用于神經(jīng)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，從探索單個(gè)突觸的屬性到研究神經(jīng)回路內(nèi)和跨神經(jīng)回路的特定神經(jīng)細(xì)胞群體，再到操作復(fù)雜的行為。Thompson和Towne[2]于2016年將光遺傳學(xué)定義為一種使用光控制活體組織中細(xì)胞的方法，表達(dá)光敏蛋白的神經(jīng)元細(xì)胞尤為典型。光遺傳學(xué)技術(shù)為精確控制細(xì)胞功能提供了可能性，相關(guān)技術(shù)使對蛋白質(zhì)功能調(diào)控、信號通路激活及動(dòng)物行為的時(shí)空精確控制成為可能，為研究神經(jīng)回路及信號網(wǎng)絡(luò)提供了獨(dú)特的方法。近幾年，光遺傳學(xué)技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病病理生理機(jī)制及相關(guān)的治療上的研究尤為突出。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病傳統(tǒng)的治療方案，如藥物治療、腦深部刺激（DBS）和手術(shù)治療中，存在藥物作用緩慢，不良反應(yīng)多；腦深部刺激（DBS）有創(chuàng)，缺乏細(xì)胞類型特異性，需要永久植入電極[3]；手術(shù)治療無法精準(zhǔn)地定位特定病變腦區(qū)等一系列缺點(diǎn)。而光遺傳學(xué)因其具有非侵入性，可以精確地定位，具有精準(zhǔn)的時(shí)間和空間精度，可以在多個(gè)波長和位置同時(shí)使用，以及具有顯示特定神經(jīng)元及神經(jīng)元群體存活和特定分子的活性的優(yōu)勢，因而越來越多的運(yùn)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的機(jī)制和相關(guān)治療的研究中。因此，本篇綜述主要集中在介紹光遺傳學(xué)技術(shù)的基本原理和最近幾年技術(shù)最新的進(jìn)展，及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ珉y治性癲癇、帕金森等）的機(jī)制研究和治療方面的應(yīng)用進(jìn)展。

1 光遺傳學(xué)技術(shù)

光遺傳學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)光學(xué)和遺傳學(xué)相結(jié)合的開拓性技術(shù)，廣泛運(yùn)用于對特定神經(jīng)元及神經(jīng)回路的研究。通常涉及3個(gè)核心特征：①視蛋白，可對光做出反應(yīng)，直接引起跨細(xì)胞膜的電流。②將足夠強(qiáng)和特異的視蛋白基因表達(dá)定向到大腦中定義明確的細(xì)胞元件的一般方法。③在試驗(yàn)對象進(jìn)行感興趣的行為時(shí)，將足夠強(qiáng)的和精確定時(shí)的光刺激送達(dá)到特定大腦區(qū)域或細(xì)胞的一般方法[4]。

1.1 視蛋白及變體 視蛋白由視網(wǎng)膜和一種七次跨膜的光敏蛋白組成。視蛋白根據(jù)其功能可以分為兩大類：一類是通道視紫紅質(zhì)（ChR2），其對藍(lán)光敏感。在藍(lán)光的刺激下，非特異性陽離子通道被打開，各種陽離子（Na+、K+等）進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞去極化[5]。另外一類是細(xì)菌視紫紅質(zhì)和鹵視紫紅質(zhì)（NpHR）。細(xì)菌視紫紅質(zhì)在受到刺激時(shí)將H+運(yùn)送到細(xì)胞外，并且鹵代視紫紅質(zhì)也可以在黃光的刺激下將Cl-向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移[6]。它們都可以在不同波長光的刺激下，開放不同的離子泵使細(xì)胞超極化，抑制細(xì)胞的活動(dòng)?？梢愿鶕?jù)試驗(yàn)?zāi)康模せ罨蛘咭种萍?xì)胞）選用合適的視蛋白?；诠庾V的不同，天然視蛋白及其變體也越來越多地被發(fā)現(xiàn)。隨著這幾年光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的井噴式增加，天然微生物視蛋白及變體的缺陷也顯現(xiàn)出來。由于不同波長的光在組織中的穿透和散射方式不同，只有高強(qiáng)度的光才能滿足光遺傳刺激的要求，這也會(huì)導(dǎo)致熱量積累和潛在神經(jīng)元的損傷。所以在過去幾年，一個(gè)新的微生物視蛋白家族已經(jīng)通過基因工程改造迅速發(fā)展，以彌補(bǔ)這些限制。如紅光在組織中的被吸收與散射較少，可以將ChR2（光遺傳學(xué)中應(yīng)用最廣泛的視蛋白）的波長刺激峰由藍(lán)色改為紅色，以便刺激組織更深區(qū)域。光遺傳學(xué)技術(shù)的需求刺激了視蛋白變體工程改造的發(fā)展，也反過來引領(lǐng)光遺傳技術(shù)不斷向前。

1.2 視蛋白表達(dá) 視蛋白基因轉(zhuǎn)導(dǎo)是視蛋白表達(dá)的基礎(chǔ)。視蛋白的表達(dá)需要在細(xì)胞基因組中表達(dá)基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的視蛋白基因。轉(zhuǎn)導(dǎo)方式有3種：病毒載體、轉(zhuǎn)基因、電穿孔[7]。本研究將重點(diǎn)放在使用病毒載體進(jìn)行神經(jīng)元轉(zhuǎn)導(dǎo)，此方法是目前在臨床研究中使用最廣泛且最有效的視蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)方式。

將病毒載體注入特定的大腦位置以實(shí)現(xiàn)光遺傳刺激，通常包括慢病毒（LV）或腺相關(guān)病毒（AAV）。這兩種病毒具有不同的特性，在臨床應(yīng)用中也有相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)。與直徑約為20 nm的AAVs不同，LV更大的顆粒尺寸（100 nm）局限了其可通過胞外空間擴(kuò)散。相反AAVs顆粒較小，允許進(jìn)一步擴(kuò)散，使其能夠在給定的體積內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo)[8]。對于AAV9和AAVrh10，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以穿過血腦屏障，因此當(dāng)病毒載體在外周給藥時(shí)，大腦神經(jīng)元可以被轉(zhuǎn)導(dǎo)。但LV載體具有更大的基因組容量，其最大包裝效率的基因組容量為8～10 kb[9]，這具有重要的特異性和功能意義，因?yàn)榭梢圆迦敫L的基因序列和多個(gè)基因。在另一方面，AAV在一定程度上優(yōu)于慢病毒，這是因?yàn)榛贏AV的載體保持在表型，而慢病毒載體整合到宿主基因組中[10]。所以，慢病毒載體的表達(dá)容易受到周圍染色質(zhì)的影響，這種整合可能會(huì)導(dǎo)致宿主基因的意外中斷?？傊?，AAVs是人類基因治療及非人靈長類光遺傳學(xué)技術(shù)中視蛋白基因轉(zhuǎn)導(dǎo)最常用的載體。

1.3 光刺激 在將合適波長且足夠強(qiáng)的和精確定時(shí)的光刺激特定大腦區(qū)域或神經(jīng)元的過程中，光的傳輸也是相當(dāng)重要且復(fù)雜的。一般來說，使用最廣泛的光源是激光或發(fā)光二極管，它們需要復(fù)雜的電阻和功率傳輸元件，并且通常太大或太重。經(jīng)典的光傳輸設(shè)備包括外部光源、控制器設(shè)備、光纖和探頭[11]。因?yàn)橐暤鞍准せ钏璧目梢姽饽軌虮簧窠?jīng)組織散射和吸收，所以光遺傳神經(jīng)調(diào)節(jié)依賴于植入的裝置來傳遞光學(xué)刺激。

在光遺傳學(xué)體內(nèi)試驗(yàn)中，利用光纖將特定波長的激光，以不同的脈沖持續(xù)時(shí)間、輻照度和頻率精準(zhǔn)地導(dǎo)入到特定腦區(qū)激活或抑制腦區(qū)的神經(jīng)元，從而進(jìn)一步研究特定腦區(qū)對動(dòng)物相關(guān)行為的調(diào)控機(jī)制。

同時(shí)可見光的傳遞通常需要將外來裝置侵入性地植入大腦，這不僅損害了相關(guān)組織，還增加了感染和缺血的風(fēng)險(xiǎn)[12]。為了克服這些限制，在一些成熟的神經(jīng)記錄技術(shù)（如Utah列陣，Michigan探針，四極管和微絲等）的基礎(chǔ)上，通過探索軟材料和混合材料，設(shè)計(jì)出多種多功能和柔性光電探測器。如柔性纖維探針，并且能夠在小鼠大腦和脊髓中同時(shí)記錄和進(jìn)行光學(xué)神經(jīng)調(diào)節(jié)，而不會(huì)引發(fā)顯著炎性反應(yīng)[13]。

2 光遺傳學(xué)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療中的運(yùn)用

2.1 在癲癇病中的應(yīng)用 癲癇是一種異質(zhì)性疾病，由于腦神經(jīng)元的過度興奮和過度同步，癲癇的特征是反復(fù)自發(fā)性癲癇發(fā)作。這種異常自發(fā)放電可對形體活動(dòng)、認(rèn)知以及意識產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致臨床出現(xiàn)癇性發(fā)作。癲癇的特征是大腦中異常的神經(jīng)活動(dòng)，最終導(dǎo)致癥狀的反復(fù)發(fā)作。傳統(tǒng)的治療方案有藥物、手術(shù)切除和電刺激。盡管大多數(shù)患者能夠使用抗癲癇藥控制癲癇發(fā)作，但是患者通常需要終身用藥，這同時(shí)也與患者耐受性差的不良反應(yīng)相關(guān)，尤其是需要多種藥物治療的患者[14]。傳統(tǒng)的抗癲癇藥物藥理機(jī)制，由于不具有良好的細(xì)胞特異性，無法對癲癇神經(jīng)回路上的特定神經(jīng)細(xì)胞群體發(fā)揮針對性作用，因此通常很難通過藥理學(xué)方法有效治療。而且對人類癲癇發(fā)作的潛在機(jī)制不完全了解，更好的治療方法的發(fā)現(xiàn)一直滯后。所以急需開發(fā)能夠從源頭上治療癲癇病的技術(shù)。通常難治性癲癇是局灶性的，最有效的治療方案是切除手術(shù)，但其僅適用于少數(shù)患者，因?yàn)槭中g(shù)切除會(huì)帶來神經(jīng)系統(tǒng)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，如記憶力、語言、運(yùn)動(dòng)和視覺障礙等，特別是切除區(qū)域位于大腦活動(dòng)區(qū)。另外，與藥物治療或外科手術(shù)切除相比，電刺激能對腦部進(jìn)行更具針對性和可逆性的治療，但僅對病理回路進(jìn)行有效靶向治療仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，治療可能會(huì)導(dǎo)致不良的不良反應(yīng)，如記憶障礙，抑郁加劇或癲癇發(fā)作加劇等[15]。因?yàn)殡姶碳χ車M織的影響不是細(xì)胞類型特異性的，并且高度依賴于患者特定的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)，這可能很難預(yù)測?？紤]到潛在的不良反應(yīng)，更加急需癲癇患者的臨床新療法。

光遺傳學(xué)是一種利用光敏離子通道來激活或者抑制特定神經(jīng)元活動(dòng)的技術(shù)，可以選擇性地調(diào)節(jié)抑制性或興奮性神經(jīng)元的行為來改變特定神經(jīng)元的行為，以防止癲癇發(fā)作而不會(huì)破壞生理功能。光遺傳刺激激活海馬興奮性細(xì)胞中表達(dá)的NpHR，將NpHR的表達(dá)限制在興奮性神經(jīng)元中，抑制了癲癇的發(fā)作[16]。這些結(jié)果在連續(xù)運(yùn)動(dòng)性癲癇發(fā)作活動(dòng)的體內(nèi)模型（模擬人類局部癲癇持續(xù)狀態(tài)）中得以再現(xiàn)。連續(xù)運(yùn)動(dòng)性癲癇發(fā)作在對全身性藥物治療特別有抵抗力，但是在癲癇局灶處激活NpHR抑制了癲癇的發(fā)作[17]。這些研究提供了光遺傳學(xué)作為治療癲癇的潛力。光遺傳學(xué)不僅為我們提供了一種新的治療方法，還為了解癲癇發(fā)作的機(jī)制和調(diào)節(jié)癲癇發(fā)作活動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)提供新的思路。在皮質(zhì)卒中模型中，用NpHR抑制丘腦皮質(zhì)神經(jīng)元可阻止皮質(zhì)中的尖峰波放電；在邊緣性癲癇模型中，用NpHR抑制興奮性神經(jīng)元或用ChR2激活中間神經(jīng)元，抑制海馬癲癇發(fā)作[18]。還可以通過光遺傳學(xué)刺激相對較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)（如小腦）來調(diào)節(jié)邊緣性癲癇發(fā)作。光遺傳學(xué)提供了一種更精確的方式來調(diào)節(jié)大腦區(qū)域內(nèi)神經(jīng)元。

近年來，研究報(bào)道星形膠質(zhì)細(xì)胞參與了癲癇的發(fā)病機(jī)制[19]。星形膠質(zhì)細(xì)胞在癲癇發(fā)生中的生理病理作用，涉及反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生、能量供應(yīng)和代謝紊亂、神經(jīng)膠質(zhì)遞質(zhì)和細(xì)胞外離子濃度，以及血腦屏障功能障礙和血流失調(diào)。受損的星形膠質(zhì)細(xì)胞功能和能量穩(wěn)態(tài)在癲癇的發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。只有當(dāng)神經(jīng)元有足夠的能量來源時(shí)，才會(huì)發(fā)生過度的神經(jīng)元放電。相反，癲癇發(fā)作期間的能量消耗是癲癇發(fā)作終止的內(nèi)源性機(jī)制。星形膠質(zhì)細(xì)胞通過神經(jīng)代謝耦合控制神經(jīng)元能量穩(wěn)態(tài)[20]。利用光遺傳學(xué)技術(shù)特異性調(diào)控皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞，探索其在癲癇發(fā)病中的作用并發(fā)揮治療作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞在癲癇發(fā)病機(jī)制中的谷氨酸穩(wěn)態(tài)與能量代謝方面發(fā)揮著重要作用。有研究報(bào)道，光刺激會(huì)觸發(fā)表達(dá)ChR2的星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放ATP[21-22]。以及可以通過開放非選擇性陽離子通道進(jìn)一步通過Ca2+依賴性和非依賴性機(jī)制釋放谷氨酸。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過神經(jīng)代謝耦合控制神經(jīng)元能量穩(wěn)態(tài)可能是一種有效的抗癲癇策略。同時(shí)，光遺傳學(xué)最令人興奮的方面是能夠使用閉環(huán)系統(tǒng)，其中植入的EEG設(shè)備檢測到癲癇發(fā)作的開始，從而觸發(fā)發(fā)光設(shè)備，激活特定類別中表達(dá)的視蛋白神經(jīng)元。閉環(huán)光遺傳學(xué)方法已經(jīng)成功地用于通過抑制丘腦皮質(zhì)神經(jīng)元來停止皮質(zhì)中的癲癇發(fā)作活動(dòng)，并通過抑制局部錐體細(xì)胞，激發(fā)局部含小白蛋白的中間神經(jīng)元或激活遠(yuǎn)程小腦浦肯野細(xì)胞抑制癲癇發(fā)作[23]。

2.2 在帕金森病中的應(yīng)用 帕金森（parkinson's disease，PD）是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病，其特征是肌肉僵硬、運(yùn)動(dòng)緩慢和震顫。其發(fā)病機(jī)制是黑質(zhì)致密部（SNc）中多巴胺能（DA）神經(jīng)元的喪失，導(dǎo)致基底節(jié)（BG）中的神經(jīng)元活動(dòng)異常。主要是因?yàn)榛颊叩纳窠?jīng)系統(tǒng)活動(dòng)發(fā)生變性，且隨著時(shí)間的推移，患者的癥狀會(huì)更加嚴(yán)重。此病一般多出現(xiàn)在老年人中，但近幾年越來越趨于年輕化[24]。

目前PD的治療方案主要包括左旋多巴（L-DOPA），多巴胺激動(dòng)劑或MAO-B抑制劑的給藥或深部腦刺激（DBS）形式的手術(shù)或神經(jīng)消融手術(shù)。但是這些治療是對癥治療，不能預(yù)防PD惡化，并且可能伴有明顯的不良反應(yīng)，而且深部腦刺激（DBS）缺乏空間特異性，不能精確地定位到靶細(xì)胞中。因此，顯然有必要探索新的治療途徑[25]。光遺傳學(xué)的出現(xiàn)，能讓我們從神經(jīng)元及神經(jīng)回路的水平上更深一步地了解帕金森病的發(fā)病機(jī)制以及對其診斷和治療方面有新的認(rèn)識。最近的一些研究顯示，光遺傳學(xué)刺激可以改善帕金森氏嚙齒動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為。研究表明，對丘腦下核（STN）或新皮質(zhì)M1區(qū)域的第5層進(jìn)行高頻光遺傳學(xué)刺激可改善經(jīng)6-羥基多巴胺（6-OHDA）處理的小鼠的運(yùn)動(dòng)行為[26]。這表明光遺傳學(xué)刺激可以用作電DBS的更具選擇性的替代方法，從而刺激選擇性的STN群體，而不是電DBS的非特異性作用。有研究發(fā)現(xiàn)使用光遺傳學(xué)刺激NpHR可以對STN中的谷氨酸能細(xì)胞進(jìn)行光遺傳學(xué)低頻抑制，既可以減少帕金森氏癥的行為，又可以減少6-OHDA處理的大鼠的L-DOPA誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)障礙。研究報(bào)道[27]，在雙側(cè)6-OHDA損傷的D1-Cre和D2-CreBAC轉(zhuǎn)基因小鼠紋狀體中表達(dá)ChR2。通過光遺傳刺激直接和間接通路的中間棘狀投射神經(jīng)元（MSN），觀察到直接通路激活后運(yùn)動(dòng)行為完全恢復(fù)到病變前的水平。光遺傳技術(shù)為帕金森的發(fā)病機(jī)制的研究及治療提供了可行的策略。

2.3 在阿爾茲海默病及術(shù)后認(rèn)知功能障礙中的應(yīng)用 阿爾茨海默病（alzheimer's disease，AD）是一種漸進(jìn)的多因素神經(jīng)退行性疾病。臨床上AD的病理特點(diǎn)是記憶、認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能嚴(yán)重缺陷，導(dǎo)致精神、行為和功能活動(dòng)的下降，如失語、失用、失認(rèn)、視空間技能損害、執(zhí)行功能障礙以及人格和行為改變，病因迄今未明。目前臨床上使用抗AD藥物仍主要是膽堿酯酶抑制劑（如多奈哌齊、加蘭他敏、卡巴拉汀和石杉堿甲等）和N-甲基-D-天冬氨酸受體拮抗劑（如美金剛），但是這些藥物療效有限且不良反應(yīng)明顯，如胃腸道反應(yīng)和神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)等。光遺傳技術(shù)的優(yōu)勢在于可以控制特定神經(jīng)回路的活動(dòng)。研究表明，光刺激雙側(cè)海馬齒狀回中表達(dá)CaMK-CHR2的神經(jīng)元改善了測試階段的工作記憶和短期記憶[28]。最近研究報(bào)道了AD小鼠空間學(xué)習(xí)記憶缺陷的突觸機(jī)制[29]，內(nèi)嗅皮質(zhì)Ⅱ（ECII PN）錐體神經(jīng)元的突觸末端直接支配CA1小清蛋白（PV）神經(jīng)元（CA1 PV）并在早期AD小鼠中選擇性退化，ECII PN-CA1 PV突觸的缺失會(huì)破壞CA1回路中的興奮性和抑制性平衡，并損害空間學(xué)習(xí)和記憶。ECIIPN的光遺傳學(xué)激活通過θ脈沖刺激范式能誘導(dǎo)有益效果并有效防止AD小鼠的突觸和行為衰退。通過光遺傳技術(shù)為治療AD疾病進(jìn)展提供了一個(gè)有希望的靶點(diǎn)。

2.4 在抑郁癥中的應(yīng)用 抑郁癥又稱抑郁障礙，抑郁是一種情緒障礙，其特征是情緒低落或失去興趣或愉悅，其他癥狀包括體質(zhì)量、食欲和睡眠情況的波動(dòng)；無價(jià)值感；優(yōu)柔寡斷或難以集中注意力；自殺意念。重度抑郁癥嚴(yán)重限制心理社會(huì)功能，降低生活質(zhì)量。目前，抑郁的治療方法包括藥物療法、心理療法和幾種所謂的軀體干預(yù)方法，如電休克療法[30]、光療法[31]、迷走神經(jīng)刺激[32]和經(jīng)顱磁刺激[33]。

光遺傳學(xué)出現(xiàn)徹底改變了抑郁的神經(jīng)回路機(jī)制的研究。光遺傳學(xué)已經(jīng)闡述了抑郁的特定細(xì)胞類型和投射途徑，推動(dòng)對抑郁的基于神經(jīng)回路研究的轉(zhuǎn)變。光遺傳學(xué)工具成為了研究動(dòng)物模型中抑郁樣行為背后的神經(jīng)回路的關(guān)鍵，借助光遺傳學(xué)闡明了腹側(cè)被蓋區(qū)、伏隔核、內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、腹側(cè)海馬和其他邊緣區(qū)域?qū)毫σ赘行园l(fā)揮了關(guān)鍵作用[34]。使用光遺傳學(xué)技術(shù)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)壓力環(huán)境和腹側(cè)海馬-伏隔核回路的階段性激活是誘導(dǎo)社交回避的必要條件。研究表明[35]，在慢性社交失敗壓力的抑郁癥小鼠模型中，使用光遺傳學(xué)操作雙向控制傳入特定的突觸功能，證明了腹側(cè)海馬中谷氨酸能信號傳導(dǎo)在抑郁相關(guān)行為中的復(fù)雜傳入特異性作用。慢性壓力可能會(huì)將平衡從內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)轉(zhuǎn)移到腹側(cè)海馬控制，從而形成一個(gè)強(qiáng)化循環(huán)，進(jìn)一步增強(qiáng)腹側(cè)海馬-伏隔核的突觸傳遞。最近研究報(bào)道[36]，對腹側(cè)被蓋區(qū)-伏隔核回路的選擇性光遺傳學(xué)激活增加了D1-多棘神經(jīng)元中Shisa6的表達(dá)。Shisa6特異性位于D1-多棘神經(jīng)元的興奮性突觸中并增加神經(jīng)元的興奮性，從而促進(jìn)小鼠的抑郁樣行為。同樣，也可以通過使用光遺傳學(xué)技術(shù)改變特定細(xì)胞類型中的神經(jīng)元活動(dòng)來改變抑郁樣行為。有研究報(bào)道[37]，內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)神經(jīng)元的光遺傳激活逆轉(zhuǎn)了動(dòng)物失敗社交和蔗糖偏好，這表明誘導(dǎo)內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)神經(jīng)元的過度活躍可能足以抑制一些與抑郁癥相關(guān)的行為。綜上可見，光遺傳學(xué)在治療抑郁癥方面具有廣闊前景。

2.5 在亨廷頓舞蹈癥中的應(yīng)用 亨廷頓舞蹈癥（huntington' disease，HD）是一種罕見的常染色體顯性遺傳性神經(jīng)退行性疾病，癥狀復(fù)雜多變，以慢性進(jìn)行性舞蹈樣動(dòng)作、認(rèn)知功能障礙和精神行為異常為主要臨床特征，是由亨廷頓基因（HTT）中的CAG三核苷酸重復(fù)擴(kuò)增引起的，該基因編碼亨廷頓蛋白（HTT）中擴(kuò)增的聚谷氨酰胺[38]。細(xì)胞和分子研究表明，腦發(fā)育異常可能是HD腦功能受損和后來神經(jīng)變性的底物。先前研究表明，突變的HTT（MHTT）相關(guān)的神經(jīng)發(fā)生發(fā)育損傷可能有助于區(qū)域和細(xì)胞對晚期選擇性神經(jīng)變性的脆弱性。試驗(yàn)者采用光發(fā)生學(xué)和電生理學(xué)方法，從小鼠離體大腦切片上研究了紋狀體突觸傳遞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)HD小鼠模型中，紋狀體突觸傳遞與突觸前膜GABA釋放的數(shù)量增加并無明顯關(guān)聯(lián)，而是與GABA釋放后的突觸部位反應(yīng)增強(qiáng)有關(guān)，快速激活或抑制可為急性糾正神經(jīng)元的異?；顒?dòng)提供治療干預(yù)方法。利用光遺傳學(xué)技術(shù)抑制紋狀體GABA神經(jīng)元活動(dòng)，可見內(nèi)皮細(xì)胞對堿性成纖維細(xì)胞生長因子的表達(dá)增加，并減少腦萎縮量，促使神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)趨于正常，HD相關(guān)的異?；顒?dòng)恢復(fù)正常。因此光遺傳學(xué)為治療亨廷頓舞蹈癥提供了新思路。

3 小 結(jié)

盡管光遺傳學(xué)具有巨大潛力，但光遺傳學(xué)仍存在局限性和挑戰(zhàn)性，必須加以考慮和解決。在大腦內(nèi)部，光的傳輸通常是通過手術(shù)將光纖插入特定區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的。侵入性手術(shù)不可避免地會(huì)導(dǎo)致腦部損傷和不良反應(yīng)的產(chǎn)生，如感染和出血等。一項(xiàng)研究成功地證明，上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNP）可以吸收大腦外部發(fā)射的近紅外光，從而將其轉(zhuǎn)換為可見光的局部發(fā)射并刺激大腦的深層結(jié)構(gòu)。UCNP技術(shù)將使得微創(chuàng)光學(xué)神經(jīng)元活動(dòng)的操縱具有遠(yuǎn)程治療的潛力。Chen[39]最近的研究表明使用強(qiáng)效的視紫紅質(zhì)ChRmine來實(shí)現(xiàn)經(jīng)定義的神經(jīng)回路（包括中腦和腦干結(jié)構(gòu)）的經(jīng)顱光刺激，在前所未有的深度達(dá)到7 mm時(shí)達(dá)到毫秒級。并且使用ChRmine的全身性病毒傳遞，可以無須手術(shù)即可演示行為調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無植入物的腦深部的光遺傳學(xué)。

目前，光遺傳學(xué)技術(shù)現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療上面臨的主要障礙是從臨床前研究到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，從疾病模型到臨床患者的轉(zhuǎn)變。目前主要面臨以下幾個(gè)問題：①光遺傳學(xué)中使用的視蛋白是外源蛋白，而外源蛋白在大腦中的長期表達(dá)引起了人們對免疫原性的關(guān)注。②盡管病毒載體如AAV是一種依賴病毒，意味著僅靠它無法產(chǎn)生感染。但病毒載體仍具有抗原性，會(huì)使機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)。③光刺激方式在中樞神經(jīng)疾病患者治療上的選擇。光遺傳學(xué)未來繼續(xù)發(fā)展的主要方向可以集中在：視蛋白變體的發(fā)現(xiàn)和對已知視蛋白的改造，爭取可以使較低強(qiáng)度或較長波長的光以進(jìn)入更深的組織區(qū)域。探索更具有細(xì)胞靶向性的載體，使得視蛋白能夠更準(zhǔn)確地在特定神經(jīng)元上表達(dá)。探索類似于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的光遺傳學(xué)工具，以滿足深層的組織穿透深度和低的光熱效應(yīng)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)治療中光遺傳閉環(huán)系統(tǒng)的敏感性與穩(wěn)定性。盡管光遺傳學(xué)在臨床上應(yīng)用仍有許多挑戰(zhàn)，但對于它的前景仍然充滿憧憬。