2021 年 7 月 6 日,西班牙巴塞罗那,西班牙的一组科学家开发一种光开关分子,可直接在体内对大脑状态转变进行了光调制,该分子之前由加泰罗尼亚生物工程研究所 (IBEC) 的研究人员开发。通过将一种称为邻苯二甲酰亚胺-偶氮-iper (PAI) 的光响应分子应用于完整的大脑,随后应用于白光,研究人员能够调节神经元回路中的缓慢振荡,并可逆地操纵大脑的振荡频率。


这种化学工程机制使研究人员能够以非侵入性的方式详细地诱导和研究大脑从类似睡眠状态到类似清醒状态的转变。


利用光使 PAI 能够调节大脑节律的方法是由 IBEC 和 August Pi i Sunyer 生物医学研究所 (IDIBAPS) 的科学家开发的,这项研究是首次使用对光有反应的分子来控制大脑状态的转变。


PAI可以特异性地、局部地控制毒蕈碱胆碱能受体,即大脑中的乙酰胆碱受体。这些受体参与多种神经元过程,例如学习、注意力和记忆。当研究人员用白光照射光敏分子 PAI 时,他们能够控制和研究新皮质中依赖胆碱能的大脑状态转变。


科学家开发了一种光开关分子:可直接在体内对大脑状态转变进行了光调制

脑电波是属于一个回路的神经元组的同步激活和去激活状态(由大脑方案中的互连节点表示)。它们周期性地重复,并且它们的频率与个体的清醒状态相关(较慢的波在睡眠中被发现或可以由麻 醉引起)。光开关生物活性化合物 PAI 在紫光(左)下呈非活性形式,在白光照射下(右)改变其形状以充当有效的毒蕈碱激活剂。这导致波频率的增加,这是大脑皮层的新兴特性,由 IBEC 和 IDIBAPS 提供


研究人员展示了在体外(在使用雪貂的实验中)和体内(在使用小鼠的实验中)选择性控制慢振荡的能力。


与光遗传学不同,IBEC-IDIBAPS 团队开发的方法不依赖基因操作来控制大脑活动。与经颅磁刺激或超声不同,基于 PAI 的方法没有时空或频谱性能限制,可用于控制不同大脑状态下的活动时空模式。


IBEC-IDIBAPS 团队的工作可以提供一种研究胆碱能神经调节的方法更完整的是,通过控制不同大脑状态和状态之间转换的时空活动模式。它可以帮助科学家更好地了解大脑状态和大脑状态转换如何与认知和行为相关联。基于 PAI 的方法可以应用于不同的生物体,并且由于它不需要基因操作,因此可以转化为人类。


科学家开发了一种光开关分子:可直接在体内对大脑状态转变进行了光调制


控制神经活动的能力不仅对基础神经科学的研究至关重要,而且对治疗性大脑干预的临床神经病学也至关重要。


“内源性受体的光控制及其在中枢神经系统中的功能,例如不同大脑状态之间的转换,是神经调节技术的一项成就,”IDIBAPS 研究员 Almudena Barbero-Castillo 说。


除了提高基础神经科学研究的准确性外,PAI 的使用还可能导致开发用于治疗脑部病变或疾病(如抑郁症、双相情感障碍、帕金森氏症和阿尔茨海默氏症)的选择性光调制药物。


IBEC 研究员 Fabio Riefolo 说:“控制大脑中的神经元活动是进行基础研究和应用研究以及开发安全和准确的技术以在临床神经病学中进行治疗性大脑干预的关键。”


研究人员表示,使用脉冲红外光对 PAI 进行双光子刺激可以实现 3D 中的深度穿透和亚细胞分辨率。他们认为,与通过光遗传学构建体的病毒注射实现的局部且通常不均匀的表达模式相比,像 PAI 这样的可扩散小分子原则上可以应用于更大的大脑区域以控制神经元振荡。


此外,基于内源性毒蕈碱受体的光药理学操作的脑电波远程控制可以揭示大脑状态及其转换背后的复杂 3D 分子信号传导。


该研究发表在Advanced Science  上。



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