光遗传学简介

光遗传学是一种用光控制细胞生理活动的生物技术。更具体来讲，该技术将光学和遗传学方法结合起来，旨在开启（获得功能）或关闭（失去功能）特定细胞或活组织中的某些功能事件。为此，研究者们需要通过病毒载体将外源基因引入靶细胞，实现光敏蛋白的内源表达。随后通过光照诱导这些光遗传学蛋白发生构象变化，从而触发细胞反应。

与传统的研究方法相比，光遗传学有着极大的优势：只需向细胞内转入一个蛋白，操作性强；以光作为刺激媒介，具有高时效性；对实验动物的创伤远远小于传统方法，且无需侵入组织；光遗传学的时间精准度可以达到毫秒甚至是亚毫秒级别，在空间层面，可将光敏蛋白在靶向细胞进行表达，使定位达到单个细胞水平。

利用光控制细胞生理活动

光遗传学最常见的应用场景就是针对大脑进行神经调节。通过在神经细胞中表达光敏蛋白，响应不同波长的光刺激实现对神经功能的调控，这也是2005年Karl Deisseroth在Nature Neuroscience上发表的光遗传学领域的开山之作的研究方向。迄今为止，神经元活动的光遗传学调控已在神经科学和神经精神疾病领域产生了许多新发现。研究的神经回路包括多种脑部疾病，例如帕金森病、精神分裂症、自闭症、药物滥用、抑郁症和焦虑症等。

利用光遗传学调控单个神经元的生理活动

3i Phasor三维全息光刺激模块 助力开创光遗传学研究新范式

我们可以看到，光遗传学的实验步骤可以简单地分为三步：1.转染和表达光敏蛋白；2.光刺激诱导光敏蛋白构象变化；3.观察光刺激后组织或活体的生理活动。在这里，光刺激过程的精度和维度显著影响着最后呈现的实验结果。目前市面上的光刺激模块多数是使用振镜的模式，这种模式每次只能对一个二维的平面进行二维的刺激，而神经环路甚至单个神经元都存在于三维环境中，当我们需要对三维层面上多个神经元或者单个神经元的多个位点进行刺激时，目前的手段则力有未逮；此外，由于其利用点扫描的刺激模式，激光需在每个位点作一定时间的停留，刺激的速度较慢，极大的降低了实验的时间分辨率。

3i Phasor三维全息光刺激模块 可实现三维层面的多位点同时刺激

3i开发的基于空间光调制器的光操控模块Phasor可将射入的激光反射并在物镜焦点处投射出一个三维的全息影像，在很大程度上弥补了现有技术的不足。其刺激的所有位点均可在同一时间产生与完成，并且由于全息投影的可编程性，基于空间光调制器的光操控相对于振镜光能够实现更复杂的光刺激，实现在三维层面的多位点同时刺激。

3i Phasor三维全息光刺激模块 应用案例

从实际应用来看，单细胞光遗传学能够有效绘制神经网络内各个神经元的相互联系，有利于理解单个神经元在网络中的协同作用。而利用 Phasor则可以对单个神经元的多个位点或一个神经环路中的多个神经元进行同时三维全息刺激，从而统计神经元之间的突触强度和突触释放动力学，对于研究整个神经环路的工作原理和相关的疾病有着极大的作用。Phasor独特的三维全息光刺激特性使得其在光遗传学领域帮助全球的科学家取得了一系列优秀的成果， Or A. Shemesh等在Nature Neuroscience上发表的文章Temporally precise single-cell-resolution optogenetic中，利用Phasor，作者在完整的哺乳动物大脑回路内以单细胞分辨率和小于1毫秒的时间精度对单个神经元进行光遗传学调控，深入探索了神经回路的运作方式。

三维全息多位点同时刺激 Shemesh et al. Nature Neuroscience

Javier Valdes-Aleman等在Neuron上发表的文章Comparative Connectomics Reveals How Partner Identity, Location, and Activity Specify Synaptic Connectivity in Drosophila中，作者利用Phasor对机械感觉神经元进行精确的全息光刺激，文章揭示了神经元突触在进行信号传递时具有明显的选择特异性，而且神经元所在位置也会明显影响其在神经环路中的功能。

Doe等在elife上发表的文章Regulation of subcellular dendritic synapse specificity by axon guidance cues中，作者利用Phasor对果蝇神经元的多个不同位点同时进行刺激，文章揭示了果蝇感觉神经元dbd和中间神经元A08a的亚细胞突触特异性主要由轴突引导实现。

果蝇神经元多位点同时刺激 Doe et al. elife

Isacoff等在Nature Methods上发表的文章Photoactivatable genetically encoded calcium indicators for targeted neuronal imaging中，作者利用Phasor对果蝇和斑马鱼的多个神经元同时进行刺激，利用光激活基因编码的 Ca2+ 指示剂，文章实现了对果蝇和斑马鱼单个神经元的形态可视化以及其神经活动、突触传递和连接的高信噪比测量。

仁科生物作为3i在国内的独家授权经销商，除了Phasor三维全息光刺激模块外，我们还提供可与其搭配使用的多光子显微镜，转盘共聚焦显微镜。同时还提供应用于透明化全脑成像的光片显微镜等。

更多资讯请关注“仁科生物”公众号

上海仁科生物科技有限公司，是一家专业科学及医学领域仪器试剂代理销售和研发生产的公司，代理众多国外知名品牌。提供医疗，生命科学，工业等领域的专业分析产品；为高校、医疗、科研机构以及制药企业提供科学的实验解决方案和技术服务。