设计长波长的光驱动离子通道来接收光

光遗传学可以通过光远程控制神经元的活动。这是由通道视紫红质完成的,这是一种光敏分子开关,通过腺相关病毒(aav)作为基因渡轮整合到神经元中。aav用于基因治疗方便、安全。通道视紫红质是光控通道,在光子刺激下打开。带正电荷的离子通过通道视紫红质流入导致神经元放电。

具有加速闭合动力学的通道视紫红质突变体

图1所示。具有加速闭合动力学的通道紫红质突变体(a)通道紫红质螺旋F和螺旋C。改变通道关闭速度的残差被突出显示。(b) ChR2(蓝光激活)、christson(红光激活)、ReaChR(绿光激活)和VChR1(绿光激活)螺旋F的排列。彩色框表示快速通道视紫红质突变体(c)。通过全细胞膜片钳实验对c端与黄色荧光蛋白(EYFP)融合的异源表达通道视紫红质变异体的NG细胞进行电生理学研究。红色激光脉冲诱发光电流(d)所示为典型光电流:christson - eyfp、christson - eyfp Y261F/S267M (f- christson - eyfp)和christson - eyfp K176R/Y261F/S267M (vf- christson - eyfp)。比例尺:20毫秒。

光遗传学方法为神经科学带来了许多新的见解,并为未来的医学应用带来了希望,包括改善听力恢复。在健康的内耳中,蜗牛状的耳蜗包含一圈与感觉神经元相连的感觉内毛细胞。这些感觉单元中的每一个都编码一个声音频率,这被认为是音高,就像钢琴的琴键一样,从而产生了一个地点频率编码。然而,超过5%的世界人口患有致残性听力损失,主要是由毛细胞功能障碍或损失造成的。几十年来,聋哑人一直受益于电子人工耳蜗(eCI,图2A),这种智能设备赋予了大多数患者理解语言的能力。为了实现这一目标,eci使用位置频率编码,通过在耳蜗内部增加深度的12-24个电极阵列来刺激听觉神经元。然而,人工声音编码的频率分辨率差仍然是人工声音编码的主要瓶颈。它是由耳蜗内每个电极周围的电流扩散引起的,它激活了许多神经元——当背景噪音存在时,它会阻碍语音理解和音乐感知。因此,考虑到光可以方便地限制在空间中,将光遗传修饰的听觉神经从电刺激转换为光刺激可以通过激活更小的神经元群来实现更大的空间分辨率,从而提高频率分辨率(例如Dieter等人,Nat comm 2019)。

自2014年以来,关于这一问题的原理证明已经存在,但为了将光学CIs (oCI,图2B)应用于人类,该方法需要进一步发展:通道视紫红质需要赋予神经元高光敏感性,并使它们能够以高达每秒数百次的速率可靠地跟随光刺激。同样,需要避免光的潜在损害(光毒性),由于红光的毒性远低于蓝光,应优先使用红光激活的通道视紫红质。

然而,红光激活的开关对于听觉信号的时间精确控制来说太慢了。分子开关的速度是由质子化反应控制的,质子化反应作为通道视紫红质门控的时钟。基于结构和光谱研究,我们进行了定点诱变以加速开放到封闭的转变。通过这种方式,我们加速了许多通道视紫红质,这允许在整个可见光谱范围内快速光激活(图1)。红光激活的克里姆森变体,关闭速度比原来快10倍,特别令人感兴趣。

然后,我们在小鼠的听觉神经元中表达一个快速的克里姆森突变体(f-克里姆森),随后用急性植入的光纤刺激小鼠的听觉神经。通过读出沿听觉通路的总的神经元激活情况,我们发现f- christson在听神经中引发了迄今为止最快、最敏感的光遗传反应(图2C, E)。然后,我们放大单个神经元的活动,观察到它们中的大多数以接近自然的放电率和高时间精度跟随刺激。此外,我们测试了一组9个月大的小鼠,当使用的菌株表现出明显的与年龄相关的听力缺陷时,发现光学刺激在很大程度上恢复了听觉活动(图2D-F)。

人工耳蜗对耳蜗的人工刺激

图2所示。人工耳蜗对耳蜗的人工刺激植入电流式人工耳蜗(eCI)的耳蜗示意图;A)和未来的光学人工耳蜗(oCI;B)其中几个电极/光源被激活(分别为白色和橙色)。年轻小鼠(C, E)和光遗传刺激小鼠(D, F)在声学刺激(C, D)和光遗传刺激(E, F)下听觉通路总的神经元活动的比较读数。峰谷振幅与活跃神经元的数量有关。请注意,与老年小鼠(D)相比,年轻小鼠(C)触发可测量活动所需的声音强度更低,反应幅度更宽,而当使用光作为刺激时,这种与年龄相关的差异并不明显(E, F)。

当然,这些结果推动了基于耳蜗光遗传学的oCI作为当前eci的未来临床替代方案,因为它们表明,红光可以在低照度下用于长期恢复听力缺陷受试者的听觉。

托马斯马杰1,2大卫López德拉莫雷纳2恩斯特班贝克1托拜厄斯莫泽2
1马克斯-普朗克生物物理研究所,法兰克福和研究所
2听觉神经科学/InnerEarLab,大学医学中心Göttingen,德国

出版

超高速红移光遗传学的高频神经尖峰和听觉信号。
Mager T, Lopez de la Morena D, Senn V, Schlotte J, D Errico A, Feldbauer K, Wrobel C, Jung S, Bodensiek K, Rankovic V, Browne L, Huet A, j ttner J, Wood PG, Letzkus JJ, Moser T, Bamberg E
2018年5月1日

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