清華新聞網(wǎng)2月12日電 近日，清華大學(xué)電子工程系盛興課題組與生命學(xué)院羅敏敏課題組等合作，基于雙色堆疊式的薄膜微型LED器件，開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)可獨(dú)立、實(shí)時(shí)控制的柔性植入式光電探針，在細(xì)胞、神經(jīng)環(huán)路、活體動(dòng)物行為等多個(gè)層面，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)、“開(kāi)/關(guān)”雙向調(diào)控，為基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)探索和生物醫(yī)療應(yīng)用提供了有效的工具手段。
圖1 無(wú)線(xiàn)雙色LED光電探針的工作示意圖
光遺傳學(xué)技術(shù)具有特異性標(biāo)記的特點(diǎn)，已經(jīng)成為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重要研究手段。但是目前基于光纖的給光策略限制了復(fù)雜動(dòng)物行為的研究，且尚未實(shí)現(xiàn)在自由移動(dòng)的動(dòng)物中同時(shí)進(jìn)行神經(jīng)激活和抑制的雙向控制。針對(duì)現(xiàn)有光遺傳學(xué)技術(shù)刺激光源的單一性和行為小鼠的活動(dòng)受限性等問(wèn)題，本工作提出了利用微型薄膜式LED的易裝配性制備雙色堆疊式柔性探針的方法。與傳統(tǒng)光纖相比，其具有尺寸小、能耗低、無(wú)線(xiàn)便攜等特點(diǎn)，既擺脫了光纖的束縛，又實(shí)現(xiàn)了在同一位點(diǎn)同時(shí)給予紅-藍(lán)雙色光照的功能。
圖2 雙病毒表達(dá)和雙色LED的光譜以及光刺激神經(jīng)細(xì)胞的電生理結(jié)果
在生物實(shí)驗(yàn)中，無(wú)線(xiàn)、雙色光遺傳學(xué)探針與實(shí)驗(yàn)小鼠模型中兩種不同響應(yīng)光譜的光敏蛋白的共表達(dá)協(xié)同完成了對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的雙向操縱。對(duì)藍(lán)光高度敏感的陰離子通道光敏蛋白stGtACR2和對(duì)紅光高度敏感的陽(yáng)離子通道光敏蛋白ChrimsonR的功能相反，光譜交叉重疊小，可通過(guò)調(diào)控紅光和藍(lán)光LED的光強(qiáng)大小分別實(shí)現(xiàn)激活或抑制神經(jīng)元的活動(dòng)的功能。在體外膜片鉗實(shí)驗(yàn)中，在紅光或藍(lán)光照射下精準(zhǔn)誘發(fā)或抑制兩種光敏蛋白共表達(dá)的單個(gè)神經(jīng)元的動(dòng)作電位。
圖3 實(shí)時(shí)位置偏好實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)示意圖和小鼠軌跡熱圖度
在活體實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)位置偏好測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小鼠在雙色植入式探針刺激中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）時(shí)，可誘導(dǎo)其產(chǎn)生喜好和厭惡的雙向選擇性行為。
圖4 三只小鼠在雙色刺激下的社交記錄
最重要的是，無(wú)線(xiàn)控制功能不僅讓動(dòng)物的行為學(xué)研究擺脫了傳統(tǒng)的光纖給光方式的束縛，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)動(dòng)物的獨(dú)立控制，三只小鼠的復(fù)雜交互探索行為展示了紅、藍(lán)雙色無(wú)線(xiàn)“開(kāi)/關(guān)”刺激對(duì)小鼠社交的偏好影響，進(jìn)一步展示了無(wú)線(xiàn)雙色微型LED探針在研究多個(gè)動(dòng)物之間的社會(huì)互動(dòng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為復(fù)雜行為學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
圖5 VTA-NAc神經(jīng)回路中多巴胺釋放水平監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)示意圖和變化情況
在VTA-NAc神經(jīng)回路中，VTA在共定位的雙色LED的調(diào)控下實(shí)現(xiàn)了對(duì)NAc腦區(qū)中多巴胺釋放水平的變化。在紅光刺激下增強(qiáng)的多巴胺信號(hào)和在藍(lán)光刺激下降低的多巴胺信號(hào)再次驗(yàn)證了雙探針的雙向調(diào)節(jié)效果。
該研究成果在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表，題為《面向雙向光遺傳學(xué)調(diào)控的無(wú)線(xiàn)雙色光電探針》 （Colocalized, Bidirectional Optogenetic Modulations in Freely Behaving Mice with a Wireless Dual-Color Optoelectronic Probe）。本文的通訊作者為盛興（清華大學(xué)電子系，清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院）和羅敏敏（清華大學(xué)生命學(xué)院，清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院，北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心，北京生命科學(xué)研究所）。清華大學(xué)電子系博士后李麗珠，北京生命科學(xué)研究所博士后盧立輝、任育齊，清華大學(xué)電子系博士生唐果為共同第一作者，合作者來(lái)自清華大學(xué)電子系、材料學(xué)院、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、北京市基金、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心等支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28539-7
供稿：電子工程系
編輯：覃霞
審核：郭莉莉
