基于上轉換納米粒子的低損傷神經界面技術

鄒亮 ，田慧慧

1中國科學院納米科學卓越創新中心，國家納米科學中心，北京 100190

2中國科學院大學，北京 100049

1 引言

光遺傳是一種結合光控技術和基因技術的神經調控技術，能夠以毫秒級的時間精度對特定類型神經元的電活動實現選擇性地激活或抑制1-4。利用基因技術使光敏蛋白基因在特定類型神經元的細胞膜上表達光敏蛋白離子通道或離子泵，通過相應波長激發光照射，能夠控制細胞膜結構上的光敏蛋白的激活與抑制，從而實現對神經元活動性的調控，揭示各種神經元在神經環路中的功能和相互聯系方式。近年來，隨著光控技術和基因技術的進步，光遺傳在神經科學領域迅速發展。盡管如此，目前報導的光敏蛋白普遍采用可見光作為激發光2,5-7，這給神經調控帶來了許多難題。由于組織對可見光的吸收和散射非常嚴重8,9，這會導致激發光能量的損失和組織發熱，因此為了調控深腦組織神經元的活動，就必須將光纖或者光電器件(如uLED)植入到目標腦區10-15。然而這種侵入式的調控會造成較嚴重的組織損傷，并且植入光纖的后端通常需要連接外部設備，會在一定程度上限制動物的活動，進而影響動物行為學實驗的可靠性。

針對上述難題，研究人員研發出了許多新型光敏蛋白。例如Bedbrook等16研發了一種新型光敏蛋白-ChRger2，雖然這種光敏蛋白的激發光波長仍然位于可見光的藍光波段，但是由于它的光敏性遠大于常用的藍光激活光敏蛋白ChR2(H134R)：一種常用于體內光遺傳的增強型光電流單突變體，因此所需的激發光強度很小。……