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整合素-基质相互作用的 光遗传学 控制
摘要： 光遗传学方法在精确调控和探究细胞信号传导与基因表达方面已取得显著进展。然而，利用光遗传学技术研究细胞外表面如何接收环境刺激的潜力尚未充分发挥。本研究展示了一种光遗传学调控膜受体-配体对的开发实例——通过整合素受体与细胞外基质的可见光响应性相互作用实现。该系统基于工程化改造的含植物色素相互作用因子结构域的整合素（OptoIntegrin）与红光可切换植物色素B功能化基质（OptoMatrix）。这种光遗传学受体-配体对能实现光诱导且可逆的细胞-基质相互作用，并可控激活下游机械力感知信号通路。作为光遗传学开关在细胞外环境应用的开创性成果，该OptoMatrix-OptoIntegrin系统可为建立光控型基质-受体相互作用提供范本。
关键词： 光遗传学、机械感应、细胞外基质、细胞粘附、整合素
更新于2025-11-21 11:24:58
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果蝇幼虫对化学和光遗传学刺激的行为反应
摘要： 动物在嗅觉环境中导航的能力，关键取决于其初级嗅觉受体神经元（ORNs）的活动。尽管大量研究聚焦于ORNs对气味分子的反应，但嗅觉信息如何在ORNs活动中编码并转化为导航行为仍不甚明了。我们试图确定黑腹果蝇幼虫大多数ORNs对导航行为的贡献。通过气味分子激活ORNs并采用幼虫追踪实验测量相应行为反应，我们发现幼虫ORNs激活剂根据引发的幼虫行为反应聚类为四组。这一发现意义重大，因为它揭示了ORNs活动与行为反应之间的功能关系新认知。后续对部分ORNs的光遗传学分析，揭示了幼虫ORNs此前未被描述的特性。此外，结果表明不同时间模式的ORNs激活会引发不同行为输出：部分ORNs响应刺激增强，另一些则响应刺激减弱。这些发现说明ORNs编码刺激时间模式的能力提升了嗅觉回路的编码容量。同时，ORNs感知刺激增减的能力有助于对环境浓度变化进行即时评估。综合这些ORN特性使幼虫能高效导航复杂嗅觉环境。最终，关于ORN活动模式及其加权贡献如何影响气味编码的认知，或将阐明外周信息如何被组织并传递至神经回路后续层级。
关键词： 嗅觉受体神经元，果蝇幼虫，行为，嗅觉，光遗传学
更新于2025-09-23 15:23:52
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基于压缩感知Gerchberg-Saxton算法的3D光刺激计算机全息图快速计算
摘要： 利用空间光调制器投射计算机生成全息图是三维空间内多目标光遗传学刺激的常用策略。当需要对三维空间中稀疏分布的多个靶点进行调控时，通常要求生成点云，将激发光聚焦于样本内多个衍射极限位置。此类全息图的计算最常采用高速低精度的随机叠加算法或低速高精度的Gerchberg-Saxton算法。本文提出一种改进型Gerchberg-Saxton算法，该算法基于压缩感知原理仅对数据子集进行迭代运算，在保持高质量输出的同时显著提升速度。算法提供高效版与高均匀性版两种变体。所有实现源代码均以补充材料及开源软件形式提供。通过计算测试对比现有算法，并在定制化活体双光子光遗传学实验装置上验证，结果表明：该方法在保持Gerchberg-Saxton算法高性能且全息图质量损失极小的前提下，计算速度可接近随机叠加算法。
关键词： 光遗传学、空间光调制器、计算机生成全息图
更新于2025-09-23 15:23:52
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纳米级光遗传学中光传播对神经元生理特性的影响分析
摘要： 植入式设备的微型化是未来脑机接口应用面临的重要挑战，尤其是实现精准神经元刺激方面。对于利用光（即光遗传学）的刺激方式，光在纳米尺度上传播行为及与神经元内元素的相互作用是设计设备时需要考虑的重要因素。本文分析了单神经元刺激中光行为的影响，并重点研究了不同细胞形状产生的效应?；诿资仙⑸淅砺?，论文探讨了胞体和细胞核的形状如何产生聚焦效应导致光强增强，从而确保神经元能协助将光传导至目标细胞的组织路径中。同时这种光强增强也可能刺激邻近细胞，引发神经回路间的干扰。研究还分析了设备在皮层内角度和位置的最佳布局方案，通过实现轴突生物光子通信将光限制在细胞内部以避免干扰。
关键词： 光遗传学、几何光学分析、纳米通信、米氏散射
更新于2025-09-23 15:23:52
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近红外光激活纳米粒子用于深部组织穿透的无线光遗传学
摘要： 光遗传学技术的发展实现了对细胞活动与功能的高时空分辨率、细胞类型特异性及灵活调控。然而现有光遗传学工具主要依赖组织穿透能力有限的可见光（如蓝光或黄光），必须通过侵入性光纤探针将可见光导入器官和组织，常导致组织损伤和炎症等副作用。值得关注的是，能响应深层组织穿透性近红外光（NIR）的新型无线光遗传学工具因生物损伤显著降低而备受青睐。这类工具主要分为两类：一类利用掺杂镧系元素的上转换纳米颗粒将NIR光转换为可见光来调控经典视蛋白表达神经元；另一类则耦合NIR吸收剂将光能转化为热能以激活温敏蛋白。这些NIR激活型光遗传学工具可实现低创"远程操控"细胞信号通路的激活与抑制，在癌症、糖尿病和神经疾病等治疗领域具有广阔应用前景。本文综述了无线光遗传学应用中NIR激活型纳米材料的设计策略与合成方法最新进展。
关键词： 纳米材料、近红外、光遗传学、光热疗法、上转换
更新于2025-09-23 15:23:52
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黑视蛋白用于星形胶质细胞-神经元网络的精准光遗传学激活
摘要： 光遗传学技术已被广泛应用于增强或抑制神经元活动，近期也被应用于胶质细胞研究。本研究采用新方法，通过选择性在星形胶质细胞中表达G蛋白偶联光色素——黑视蛋白，来触发钙离子信号传导。利用基因编码钙离子指示剂GCaMP6f和双光子成像技术，我们发现黑视蛋白既能有效刺激星形胶质细胞细微突起中依赖IP3的强效钙信号，又能引发海马区兴奋性突触传递的ATP/腺苷依赖性短暂增强效应。此外，在低频光照刺激条件下，转染黑视蛋白的星形胶质细胞可诱发长期突触变化?；钐迨笛橄允?，黑视蛋白激活的星形胶质细胞能增强情景式记忆，表明该蛋白可作为光学工具，在行为动物中重现星形胶质细胞对神经网络的广泛调控作用。这些结果表明，黑视蛋白能作为精确触发因子模拟星形胶质细胞内源性G蛋白信号通路，为神经-胶质研究提供了有价值的光学工具。
关键词： 神经元-胶质细胞相互作用、突触可塑性、光遗传学、星形胶质细胞、黑视蛋白
更新于2025-09-23 15:23:52
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闭环功能性光遗传学刺激
摘要： 光遗传学技术已被用于实现对神经组织的时间特异性和组织特异性调控，在神经肌肉控制方面展现出诸多独特优势。本研究建立了一套闭环功能性光遗传刺激（CL-FOS）系统，用于调控小鼠模型的踝关节位置。通过将关节角度或肌束长度测量值作为反馈信号，我们将CL-FOS的可控性与闭环功能性电刺激（CL-FES）进行对比，证明其具有显著更高的精确度、更低的上升时间和更小的超调百分比。研究表明，在执行周期性运动时，与CL-FES相比，CL-FOS能实现运动单位的有序募集并降低疲劳程度。我们开发并研究了一个三相光动力学模型，以阐明闭环控制实验中光遗传激活的神经肌肉系统出现时间变异性的潜在机制。本研究的实验方法和发现为开发针对外周肢体控制的闭环光遗传神经肌肉刺激疗法及设备奠定了基础。
关键词： 功能性刺激、光动力模型、运动单位、光遗传学、神经肌肉控制、疲劳、闭环控制
更新于2025-09-23 15:23:52
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一种用于光遗传学外周神经调控的无线闭环系统
摘要： 生物电子医学这一快速发展的领域致力于研发能够通过刺激外周神经系统缓解临床病症的工程化系统。这类技术主要依靠电刺激来实现器官功能或疼痛的神经调节。例如骶神经刺激疗法可治疗膀胱过度活动症、尿失禁和间质性膀胱炎（又称膀胱疼痛综合征）。然而传统持续性刺激方案可能引发不适与疼痛，尤其在治疗间歇性症状（如突发尿急）时更为明显。电极与神经的直接物理耦合会导致损伤和炎症。此外，常规治疗刺激器靶向的是支配多个结构的大神经束，因而缺乏器官特异性。 本研究推出一种微型生物光电植入装置，通过以下设计规避上述局限：(1)采用微尺度无机发光二极管激活视蛋白的光学刺激界面；(2)能持续监测器官功能的柔软高精度生物物理传感系统；(3)实现系统协调闭环运作的控制?？橛胧莘治龇椒?，可实时消除病理行为。本研究报告案例中，柔软应变仪实时获取大鼠模型的膀胱功能信息，数据算法识别病理行为后，对膀胱感觉传入神经进行自动化闭环光遗传神经调节以恢复正常膀胱功能。这种全光学神经调节方案兼具长期稳定性与靶向特定细胞类型的潜力。
关键词： 光遗传学、闭环系统、膀胱功能、无线植入物、生物电子医学、神经调控
更新于2025-09-23 15:23:52
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神经递质门控受体的新见解：控制生理功能的光学方法
摘要： 神经递质门控受体以多种方式参与突触传递和调节。以谷氨酸受体为例可以看出，这些受体家族具有高度多样性，且要区分密切相关的受体亚型的不同功能贡献在实验上颇具挑战性。如今，药理学和遗传学方法已得到光遗传学方法的补充，后者能通过光来控制受体信号传导。以谷氨酸受体为例，我总结了如何利用拴系光开关配体以高时空精度并在特定细胞中控制单个受体亚型。这些以及同样令人兴奋的方法为探究神经系统内单个受体的功能提供了新可能。
关键词： 光遗传学、配体门控离子通道、光药理学、G蛋白偶联受体、谷氨酸受体
更新于2025-09-23 15:23:52
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体内光遗传学方法研究小鼠幼崽中神经元-少突胶质细胞相互作用
摘要： 光遗传学和药理遗传学技术已能有效分析神经元活动对幼年及成年小鼠行为中少突胶质细胞谱系细胞的调控作用。此类研究在出生后早期发育阶段也备受关注，因为少突胶质细胞动力学在出生后前两周会发生重要变化。然而由于新生小鼠难以实现高水平特异性蛋白表达，早期阶段的神经元操控实施难度较大。本文描述了一种可在清醒幼鼠中进行神经元光遗传刺激的方案，旨在探究出生后早期阶段神经元活动对少突胶质细胞动力学的影响。鉴于γ-氨基丁酸能中间神经元通过典型突触接触少突胶质前体细胞（OPCs），并在皮层发育过程中与这些祖细胞保持密切关联，我们采用这一典型的神经元-少突胶质细胞相互作用范例来实施原理验证性光遗传学方法。 首先测试Nkx2.1-Cre和Parvalbumin（PV）-Cre品系驱动不同发育阶段中间神经元亚群表达光敏离子通道channelrhodopsin-2（ChR2）。通过在急性躯体感觉皮层切片中对ChR2阳性中间神经元进行膜片钳记录和光刺激，分析这些神经元中ChR2的功能表达水平。发现PV-Cre小鼠在出生后第10天（PN10）时ChR2表达不足，该通道需从胚胎阶段开始表达（如Nkx2.1-Cre品系）才能确保幼鼠可靠的光激活。随后通过立体定位手术在PN10小鼠皮层表面植入微型光纤以光刺激ChR2阳性中间神经元，通过记录V层场电位验证光刺激可抵达皮层深层。最后采用常规免疫染色分析光刺激对V层少突胶质细胞群的影响——增加体内中间神经元活性既未影响OPCs总密度也未改变其增殖比例，这与既往发现（GABA能突触活动不影响OPCs增殖）相互印证。本文所述方法为未来研究出生后脑成熟过程中早期细胞相互作用的作用提供了研究框架。
关键词： 光遗传学、发育中的大脑、增殖、少突胶质细胞前体细胞、γ-氨基丁酸能中间神经元、体感皮层
更新于2025-09-23 15:23:52