光遗传optogenetics
Optogenetics神经调控技术促进认知科学发展
Optogenetics神经调控技术促进认知科学发展Optogenetics神经调控技术是一种结合光学和遗传学原理的前沿技术，通过光敏蛋白质的表达和光线的照射，可以实现对特定神经元的精确调节和控制。
这一技术在近年来的研究中得到了广泛应用，尤其是在认知科学领域，为我们深入了解大脑的功能和工作机制提供了独特的机会。
在过去的几十年中，神经科学家们一直致力于研究大脑的复杂结构和功能。
然而，由于大脑模块众多且相互交织，传统的电生理学和药理学手段往往无法精确地操控和研究特定的神经元群体。
而Optogenetics技术的出现很好地解决了这一难题。
Optogenetics技术利用了光敏蛋白质的特性，将其基因植入目标神经元中。
当光线照射到这些光敏蛋白质时，可以激活或抑制特定神经元，从而实现对其活动的准确控制。
通过精确调节光的强度和频率，研究人员可以模拟和研究大脑中不同神经元群体之间的相互作用以及其在特定认知任务中的功能。
在认知科学领域，Optogenetics技术的应用可以帮助我们对认知过程进行深入研究。
通过选择特定的脑区和神经元，研究人员可以精确地控制和操纵神经元的活动，从而观察和分析其与认知功能之间的关系。
例如，在学习和记忆研究中，研究人员可以通过激活或抑制特定神经元来探索其在这些认知过程中的作用。
这种精确的调控方式为我们揭示大脑的学习和记忆机制提供了新的途径。
Optogenetics技术在认知科学研究中的另一个重要应用是研究神经网络的连接和信息传递。
大脑是由众多神经元组成的复杂网络，神经元之间的连接和信息传递在认知过程中起着关键作用。
通过利用Optogenetics技术，研究人员可以精确地选择和操纵特定神经元之间的连接，从而研究其在认知功能中的作用。
这种方法为我们了解大脑的信息处理和传递机制提供了独特的视角。
除了在基础科学研究中的应用，Optogenetics技术还具有重要的临床应用潜力。
神经精神类疾病如抑郁症、精神分裂症等的治疗一直是医学领域的重要挑战之一。
学习笔记之光遗传学
学习笔记之光遗传学光遗传学方法研究生物大脑光遗传学（optogenetics），即结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。
概述光遗传学，是研究人员使用一种新的光控方法选择并打开了某种生物的一类细胞。
这也帮助科学家解答一个长期存在的难题，即关于脊髓中某类神经元的特殊功能的研究。
光遗传学（optogenetics）——结合遗传工程与光来操作个别神经细胞的活性，发现脑部如何产生γ波（gammaoscillations），并为它们在调控脑部功能中的角色提供新证据，这将有助于发展一系列脑相关失调的新疗法。
科学研究光影响小白鼠的大脑斯坦福大学的研究人员现在可以使用光来影响小白鼠的大脑，让一只患有帕金森症的小白鼠重新站立起来，甚至是重新走路。
他们把这项技术称之为Optogenetics(opticalstimulationplusgeneticengineering光刺激基因工程/光遗传学)。
这个技术的关键是：科学家们必须事前向小白鼠体内注射一种植物基因，这种基因能够对不同颜色光的刺激作出敏感的反应，还能通过自生特性感染类似的细胞。
斑马鱼幼虫细胞中靶向插入光敏开关研究人员在清醒的斑马鱼幼虫的这些细胞中靶向插入光敏开关，结果发现这些细胞产生了突发的游泳行为—幼虫典型的周期性摆尾。
这项发现可能为人类相关的研究提供一种启发，因为哺乳动物也有类似的细胞。
此外，这项研究也凸现了新技术的亮点，使用光控开关-光栅离子通道并结合基因靶向定位可以轻松研究某一类型的细胞。
人的神经病学疾病研究表明在罹患精神分裂症与其他精神病学与神经病学疾病的患者身上（被扰乱）会出现γ波，光遗传学新工具给予科学家很大的机会来探索这些信号通路的功能。
γ振荡反映出大型互连神经元网路的同步活动，以范围在每秒20-80周期的频率发射。
光遗传学的研究进展与应用前景
光遗传学的研究进展与应用前景光遗传学（Optogenetics）是通过将异质基因载体导入神经元中，利用可灵活操纵光刺激的特定蛋白质，精细研究神经元与行为之间的关系。
这个领域最早由Karl Deisseroth团队在2005年介绍，其研究给生命科学带来了十分独特的贡献。
本文将介绍光遗传学的研究进展和应用前景。
一、转化光遗传学研究转化光遗传学是将光遗传学研究方法应用到疾病治疗中的领域。
很多神经系统疾病，如帕金森病、癫痫等，是由于神经元过度活动或过于静止引起的。
而光遗传学中的蛋白质可以通过光线的控制来调节神经元的活动，因此可以用于治疗上述疾病。
近年来，科研人员在基因工程的基础上，通过将异质基因载体导入人类神经元，成功地恢复了运动神经元的正常功能，由此证明了转化光遗传学技术在治疗神经系统疾病上具有广泛的应用前景。
二、光遗传学技术在学习与记忆研究领域光遗传学在学习与记忆的研究中，具有重要的价值。
光遗传学的技术可以通过刺激或抑制神经元的活动，精准地研究特定行为和记忆之间的关联性。
例如，2010年，日本学者Masaaki Sato团队利用光遗传学技术在实验鼠眼底神经节细胞中表达了光受体并操纵线粒体运动。
他们发现以此作为协同线索信号的线粒体运动对于视觉信息的加工以及视网膜处理异常有着显著影响，进一步细化了线粒体在细胞信号过程中的分子机制和组织意义。
三、光遗传学在认知神经科学领域通过光遗传学的技术，科研人员可以实现对不同种类的蛋白质进行精确地操控和模拟，从而研究认知行为和神经生理的基础机制。
例如，美国明尼苏达大学的研究团队利用光遗传学的蛋白质ChR2来刺激大脑中的多巴胺神经元，模拟了巴特森-达尔厄方式，在运动学习中获得奖励的情况下可以增强相关巴特森神经元的活性。
这项研究表明，光遗传学技术在探索奖赏诱导的行为时具有潜在的应用价值。
四、光遗传学在脑疾病临床治疗领域光遗传学的技术在脑疾病临床治疗领域也有相当潜在的应用前景。
光控技术在生物学研究中的应用进展
光控技术在生物学研究中的应用进展光控技术（optogenetics）是结合光学和遗传学的技术，能够通过光的刺激来控制细胞活动。
近年来，光控技术已经被应用到了生物学研究中，并取得了一定的进展。
一、光控技术的基本原理光控技术是建立在基因遗传学的基础上的。
将一个光敏受体基因（如离子通道或G蛋白偶联受体）导入到生物细胞中，可以使得该细胞增加灵敏度对光的反应。
并且，这些光敏受体基因在细胞内会产生一些化学反应，使得细胞膜产生微小电位变化，从而影响到细胞内离子流，比如钾、钠的流动，控制了细胞的兴奋性。
有了这些光敏受体基因，科学家可以利用光线特定的波长、强度和时间来刺激细胞，从而控制细胞的活动。
比如，光线作用可以使得细胞膜打开，钠离子流入，并使得细胞产生兴奋电位；或者，光线作用会让离子通道关闭，使得细胞放电过程中的离子通道关闭，即使存在电压依然不能通过。
二、光控技术在神经科学研究中的应用神经科学研究中一直有一些难点问题，其中一个是：如何区分一个神经元与另一个神经元之间的联系。
常用的技术是光谱记录，在此基础上，光控技术诞生了。
光控技术的出现, 更像是抓住一条尾巴，神经元们虽然看起来像死板的细胞, 但它们之间却具有广泛的交互，这些交互的调节便控制了很多复杂的过程。
重要的学术跨越就造就了彭菲尔德获得诺奖，也让我们更好地探讨神经机制。
例如，研究人员可以利用光控技术，来控制神经元的活动。
通过操纵光敏受体的光感觉性，可以精准地控制神经元的放电频率。
利用光线，可以激活或抑制神经元的活动，从而控制生物对某些环境的反应和行为。
通过分子生物学方法，在神经细胞内表达发光物质，使得神经元的活动能够被记录。
若神经元产生了电活动，会产生一定的荧光信号。
这种方法可以实现对神经元的鉴定及其功能种类的区分。
在药理学、行为学和疾病治疗研究中，光控技术也有广泛的应用。
在药理学中，通过控制神经元的活动，可以评估一些药物的药效。
在治疗疾病方面，光控技术也有巨大的应用前景。
光遗传光电记录
光遗传学（Optogenetics）和光电记录（Optical recording）是两个不同但相关的领域。
光遗传学是一种利用光敏蛋白质来操控和记录生物系统的方法。
通过将光敏蛋白质基因导入到目标生物体的细胞中，可以使用特定波长的光来控制这些细胞的活动。
光遗传学在神经科学研究中被广泛应用，可以用来刺激或抑制特定类型的神经元，从而研究其功能和行为。
例如，光遗传学可用于研究记忆、学习和行为等神经科学领域的问题。
光电记录是一种利用光学技术来记录生物系统活动的方法。
通过使用光敏染料、荧光标记物或光纤传感器等工具，可以实时记录生物体内部细胞或组织的电信号、荧光信号或其他生物活动的变化。
光电记录在神经科学、心脏病学、神经工程学等领域被广泛应用。
例如，通过使用钙离子指示剂，可以观察和记录神经元活动中的钙离子浓度变化，从而深入了解神经元的功能和信号传递过程。
这两个领域在生物研究中起着重要作用，它们的发展推动了对生物系统的深入理解和探索。
光遗传学和光电记录的结合可以提供更多关于生物系统动态活动的信息，为研究者们提供了强大的工具来研究生物学、神经科学和医学等领域的复杂问题。
光遗传光敏蛋白
光遗传光敏蛋白光遗传光敏蛋白（Optogenetic Optogenin Protein）是一种能够感受光信号并转化为生物活性的蛋白质。
它通过吸收光能并产生化学反应，从而调控细胞的生理功能。
光遗传光敏蛋白具有广泛的应用前景，可以用于研究神经元活动、调控细胞信号传导以及治疗某些疾病等方面。
光遗传光敏蛋白最早是从一种称为蓝细菌的微生物中发现的。
这种蓝细菌在光照条件下会产生光敏蛋白，用于感知光信号并进行光合作用。
科学家们在研究过程中发现，这种光敏蛋白具有特殊的结构和功能，可以被用于控制细胞的活动。
光遗传光敏蛋白的工作原理是基于光敏性的分子变化。
在光照条件下，光遗传光敏蛋白会发生构象改变，从而激活或抑制其与其他分子的结合，进而调控细胞内的信号传导通路。
这种光敏性分子变化的机制可以通过光谱分析、结构生物学和生物化学等手段来研究和解析。
光遗传光敏蛋白被广泛应用于神经科学研究中。
通过将光遗传光敏蛋白导入神经细胞中，科学家们可以利用光信号来激活或抑制特定的神经元活动。
这种研究方法被称为光遗传学（Optogenetics），它可以用于研究神经网络的功能和行为，解析神经元活动与行为之间的关系。
除了神经科学研究外，光遗传光敏蛋白还可以应用于其他领域。
例如，在细胞生物学中，光遗传光敏蛋白可以被用来控制细胞的分裂、增殖和凋亡等过程。
在药物研发中，光遗传光敏蛋白可以被用来调控药物的释放和靶向治疗。
此外，光遗传光敏蛋白还可以被用于改良作物和生物能源的生产，提高农作物的光合效率和抗逆能力。
然而，光遗传光敏蛋白的应用也存在一些局限性。
首先，光遗传光敏蛋白需要光能的输入才能发挥作用，这就限制了其在某些情况下的应用。
其次，光遗传光敏蛋白的光敏性需要特定的波长和强度，这对实验条件有一定的要求。
此外，光遗传光敏蛋白的效果也受到细胞类型和表达水平的影响，需要进一步优化和改进。
光遗传光敏蛋白作为一种新型的光敏蛋白质，具有广泛的应用潜力。
通过光遗传学技术，科学家们可以通过光信号来精确操控细胞的生理功能，从而深入研究生命的奥秘。
光遗传技术原理及其应用
光遗传技术原理及其应用光遗传技术（Optogenetics）是指通过基因工程技术将特定的光敏蛋白质导入到特定的细胞内，使这些细胞具有特定的光敏性。
当这些细胞受到特定波长的光照射时，就可以使其产生不同的电位变化，从而控制特定行为或功能的发生。
该技术自2005年被提出以来，已经成为神经科学领域的一项重要技术，并且在其他许多领域也被广泛应用。
光遗传技术的原理是基于光敏蛋白质与光的特定作用。
光敏蛋白质是一类可在特定波长下被激活的蛋白质，如光敏离子通道、光敏离子泵等。
这些蛋白质含有色素分子，当受到特定波长的光作用后，色素分子就会发生构象改变，导致通道或泵的开启或关闭，从而改变细胞内的电位或离子浓度，进而调控细胞的信号传导、代谢活动等。
光敏离子通道是光遗传技术最常用的工具之一。
蓝光激活的通道ChR2（Channelrhodopsin-2）可以使神经元产生膜电位变化，从而引发动作电位的发生，进而打开或关闭一些离子通道，控制神经元的放电活动。
反之，激活黄光敏感的通道NpHR （Halorhodopsin）则会使细胞内外的Cl-离子发生浓度梯度，并从而改变细胞的兴奋性。
光遗传技术的应用相当广泛，包括神经科学、心血管学、癌症学、遗传学等各个领域。
在神经科学领域中，通过光遗传技术，人们已经成功地控制了某些神经元的特定放电活动，以及在活体小鼠中实现了对光学突触传递的控制。
利用光敏蛋白质对神经元网络的精确控制，可以探究复杂神经回路在各个方面的功能。
在心血管学领域，光敏蛋白质可以用于控制心脏细胞的兴奋性，从而调节心脏的跳动。
在癌症学领域，通过沉默癌细胞的特定基因、引导一些细胞自杀的方式等，都已经在实践中成功应用了光遗传技术。
在遗传学领域，光遗传技术也可以被用于解决诸如基因疾病治疗、基因载体传递以及细胞多样性等问题。
光遗传技术的出现在一定程度上打破了科学界的技术瓶颈，帮助研究人员更好地理解生命的本质以及复杂机理破解。
随着技术的不断发展，相关研究的进一步深化以及应用研究的新突破必将推动人类实现更为美好的未来。
关于光遗传学的研究
关于光遗传学(Optogenetics)的研究几十年来光学一直是物理学家的地盘，是面如菜色的学霸们在乌漆麻黑的地下实验室里用来调教激光器、反射镜、透镜和晶体的一门学科。
但大约十年前，大脑研究者开始盯上了这一领域。
结果发现，光学可以补充、一定条件下甚至可以取代作为主要测量工具的电极在神经科学上的传统应用。
传统神经学研究习惯将金属电极以手术植入实验动物(通常不是兔子就是老鼠)脑部特定部位特定类型的脑细胞中，再从外部施以一系列刺激，与电极尖端连接的神经元的脑电活动将会显示在电脑上。
仔细分析和处理这些原始电信号，根据汇集成的不同图案，把每种图案归类到特定的脑细胞群。
最后再将这些图案分别与学习、记忆、感知处理以及其他大脑机能相关联。
这样的电极研究依靠的是被动观察。
然而，光学结合遗传学，也就是如今的光遗传学，却能使研究者以极端的精准度直接控制而不仅仅是观察大脑的机能。
这是神经科学史上的一次重大突破，已收获了累累硕果。
光遗传学研究方法之一是将由病毒载体携带的编码光敏性离子通道蛋白的基因导入动物大脑特定的相关神经元，制造光控开关，由手术植入的光纤头所产生的闪光能开启离子通道，活化神经元。
所以，脑细胞完全就像电灯一样能被打开和关掉。
这项强劲技术的可能性几乎可以说是无限制的。
举例包括：通过活化视网膜损伤患者大脑中视觉回路的剩余细胞来修复视力；打开或关闭饿感通路来控制饥饿冲动；训练大脑抑制强迫症行为等。
然而，目前光遗传学研究还未应用到人类身上。
关于这一次神经学变革，生物学家应该好好感谢研究光学的物理学家。
过去50年来，激光器经历了可与计算机媲美的科技进步，较之以往，变得更简易，更牢靠，更经济实惠。
利用光纤探入如头盖骨之类微小空间的技术也变得更加成熟。
非专业人士如今也能装配和操作商用光学器械。
虽然这对待业的物理学家来说可能并不是什么好消息，但这样的实践发展确确实实就是物理学该为人类社会所做的贡献。
Optogenetics光基因学fss
IPD: inorganic photon detector; ILED: inorganic LED； μ LEDs示意图
Optical neural interfaces, Melissa R. Warden, 2014
光源的选择2——μLEDs ( ultrathin microscale inorganic LEDs)
光纤插入与颅顶固定
• 兼给药和光线插入 • 视蛋白注入点和光照区域的吻合 改进：加转动关节，便于实验动 物运动；固定光纤和金属片，减 少对神经组织的伤害，减小动物 压力
光纤装置示意图
Optogenetics: 10 years of microbial opsinsin neuroscience
视蛋白激发或者抑制动作电位效果验证
Photo courtesy: Nature Viodeo
Single-component optogenetics 单组分光遗传学
1979，Francis Crick提出： 神经生物学主要挑战——控制脑中一种神经细胞，而使其 他细胞保持不变。 神经元的激活或者抑制——>行为的变化 行为的获得或者缺失——> 神经元的变化 复杂病理机制的研究——阿兹海默症
光照激发-----> 离子泵活动 ----> 动作电位、神经冲动
Stoechkenius et al, 1971
离子通道与动作电位
动作电位与离子通道 • 神经细胞膜电位为负； • 膜内外离子浓度不同； • 去极化膜电位上升，超极 化膜电位下降； • 动作电位与离子进出相关
光遗传学未应用于神经学
• 外源蛋白质对脆弱的神经元造成伤害； • 光电流太微弱、速度慢； • 不满足Single-component strategy 视蛋白的作用需要一个共同作用因子 ——all-tans retinal（全反式视黄醛）
光遗传optogenetics
Opto genetics光遗传学原理及应用TeoLinc（泰耳光电）光遗传演讲PPT光遗传学基本原理光遗传学基本操作光遗传学应用光遗传学与电生理Karl Deisseroth, M.D., Ph.D.光遗传学之父FENG ZHANG, Ph.D.成功的老板后面有一群成功的学生Opto genetics 2005—2015Opto genetics基本原理光感蛋白表达光感蛋白被光激活光感蛋白470nm 蓝光 兴奋性通道 590nm 、566nm 黄光 抑制性性通道藻类土壤或水体 盐碱古菌 盐湖 光感蛋白Problems of WT ChR2Development of ChR2（E123T）MAX: 200HzProblems of WT NpHR NpHR在内质网内大量堆积Development of NpHRDevelopment of BROpto genetics 基本操作Opto genetics 光学控制操作遗传操作 光源（激光/LED ）光纤、跳线等 病毒表达 或转基因病毒表达病毒注射 promoter opsin 质粒AA V 病毒病毒表达 pAAV-hSyn -Con/Fon hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)-EYFP-WPREpAAV-CamKII -hChR2 (T159C)-p2A-EYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-hSyn -eNpHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa -eNpHR3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP Promoter ： 特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos 广谱: Syn ，Thy1 Cre/loxp 系统：DIO+cre transgenic mice转基因Thy1-ChR2-eYFP ai27,ai32,ai35,ai39Loxp-ChR2-mCherryLoxp-ChR2-eYFPLoxp-Arch-eYFPLoxp-NpHR-eYFPAi39+PV-cre光学操作Laser LED套管光源控制器插芯Opto genetics的应用精确控制特异脑区甄别细胞类型控制特异细胞控制特异环路Optogenetics对海马dCA1进行精确操控Inbal Goshen,et al.,cell,2011Optogenetics对mPFC延时电活动进行精确操控Ding Liu, et al.,science,2014Optogenetics直接证明记忆痕迹的存在记忆存在哪里？记忆是否有痕迹？Xu Liu, et al.,nature,2012Optogenetics研究特异类型细胞功能兴奋性神经元和抑制性神经元（interneuron)posterior dorsal subdivision of medial amygdala(MeApd)Weizhe Hong,et al.,cell,2014Optogenetics研究特异类型细胞功能PV interneuron SOM interneuronSteffen B. E. Wolff,et al.,nature,2014 Matthew Lovett-Barron, et al.,science,2014Optogenetics研究特异环路功能BLA-CeA circuitTye KM,et al.,nature,2011Opto genetics与活体电生理光电极在体多通道记录系统光遗传学系统光电一体系统甄别细胞类型Opto genetics与Patch clamp光感蛋白功能验证是否可以在脑片上研究环路？怎么做呢？Opto genetics与Patch clampPolygon 400任性刺激形状编辑，多点、多波长同时刺激Polygon 400与Patch clamp操作实例安装简单方便BLA Auditory cortex thalamus Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex输入环路整合Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex 470nm 470nm ChR2-mCherry ChR2-eYFP输入环路整合Fishell Research GroupNew York, New York, USA亚细胞结构刺激University of Western Sydney, AustraliaRice University, Houston未完待续。
光遗传学 英语
光遗传学英语Optogenetics: Illuminating the Mysteries of the BrainOptogenetics, a groundbreaking field of study, has revolutionized the way we understand and manipulate the intricate workings of the brain. This innovative technique combines the principles of optics and genetics, allowing researchers to precisely control the activity of specific neurons within the brain using light. The profound implications of optogenetics have opened up new avenues for understanding neural circuits, diagnosing and treating neurological disorders, and even unraveling the mysteries of human cognition and behavior.At the heart of optogenetics lies the use of light-sensitive proteins, known as opsins, which are derived from microbial organisms. These proteins can be genetically engineered to be expressed in targeted populations of neurons, making them responsive to specific wavelengths of light. By introducing these opsins into the brain through various genetic techniques, researchers can selectively activate or inhibit the firing of these neurons with remarkable precision, simply by shining light on them.One of the pivotal advantages of optogenetics is its ability to provide unprecedented spatial and temporal control over neural activity. Unlike traditional electrical stimulation methods, which often affect large groups of neurons indiscriminately, optogenetics allows scientists to manipulate the activity of specific neuronal subpopulations, even down to the level of individual cells. This precision enables researchers to dissect the intricate neural circuits that underlie complex behaviors and cognitive processes, shedding light on the causal relationships between neuronal activity and specific functions.The applications of optogenetics in neuroscience research are vast and far-reaching. In the realm of sensory processing, optogenetics has been used to study the neural mechanisms underlying vision, hearing, and touch. By selectively activating or inhibiting specific sensory pathways, scientists can unravel the ways in which the brain processes and integrates sensory information, ultimately leading to a deeper understanding of how we perceive and interact with the world around us.Moreover, optogenetics has proven invaluable in the study of motor control and movement. By manipulating the activity of neurons involved in motor planning and execution, researchers have gained unprecedented insights into the neural circuits that govern voluntary movements, as well as the potential malfunctions that contribute toneurological disorders such as Parkinson's disease or spinal cord injuries.Beyond sensory and motor functions, optogenetics has also shed light on the neural underpinnings of higher-order cognitive processes, such as learning, memory, and emotion. By targeting specific neural circuits involved in these complex behaviors, scientists have been able to investigate the causal relationships between neuronal activity and cognitive outcomes, potentially leading to new therapies for neuropsychiatric disorders like anxiety, depression, and post-traumatic stress disorder.One particularly promising application of optogenetics is in the field of neural prosthetics and brain-computer interfaces. By integrating optogenetic techniques with advanced neural recording and stimulation technologies, researchers are working towards the development of sophisticated neural prostheses that can restore sensory, motor, or cognitive functions in individuals with neurological impairments. These cutting-edge technologies hold the promise of dramatically improving the quality of life for those affected by conditions such as blindness, paralysis, or neurodegenerative diseases.However, the potential of optogenetics extends beyond the realm of basic research and clinical applications. This revolutionary techniquehas also opened up new avenues for exploring the fundamental nature of consciousness and the neural basis of subjective experience. By selectively manipulating the activity of specific neuronal populations, scientists can investigate the causal relationships between neural activity and various aspects of conscious perception, cognition, and behavior, potentially shedding light on the enigmatic question of how the brain gives rise to the mind.As the field of optogenetics continues to evolve, researchers are facing numerous challenges and ethical considerations. Issues surrounding the safety and long-term effects of genetic modifications, the potential for abuse or unintended consequences, and the complex philosophical and societal implications of manipulating the brain all require careful deliberation and interdisciplinary collaboration. Nonetheless, the remarkable potential of optogenetics to transform our understanding of the brain and to unlock new avenues for therapeutic interventions has ignited a wave of excitement and innovation within the scientific community.In conclusion, optogenetics stands as a testament to the power of interdisciplinary collaboration and the relentless pursuit of knowledge. By combining the tools of optics and genetics, researchers have gained unprecedented access to the inner workings of the brain, paving the way for groundbreaking discoveries and thedevelopment of revolutionary technologies. As the field continues to advance, the promise of optogenetics to illuminate the mysteries of the brain and improve the human condition remains a driving force that captivates scientists and the public alike.。
光遗传学研究的现状与未来
光遗传学研究的现状与未来随着科学技术进步的不断加速，生命科学不断突破新的界限，启示人们更深入地探索生命的奥秘。
光遗传学（optogenetics）是生命科学中的一项研究领域，旨在通过光敏化某些细胞，从而控制细胞活动，改变细胞表现型，解析复杂的生物过程。
目前，光遗传学在神经科学领域的应用最为广泛，光遗传学技术能够研究神经回路的功能、行为、记忆、心理、神经发育、神经发育和神经退行性疾病等，被认为是将来神经科学的重要手段之一。
在其他领域，比如心脏病学、糖尿病研究、癌症治疗等，光遗传学的应用也日渐普及。
一、光遗传学技术及其研究应用光遗传学允许研究者通过精确控制光敏细胞来改变真核细胞的活动。
该技术的核心是基因工程和光学技术，可以精确控制组织的特定细胞类型。
传统的神经系统研究，如使用电刺激或化学药品来激活或抑制特定神经元，缺乏针对性，同时容易产生混淆和误解结果的副作用。
光遗传学技术是如何实现的呢？通过基因编辑技术将光感受器遗传物质嵌入特定脑区的神经元，光刺激这些特定神经元可观察到不同的行为表现，并进一步研究神经元功能。
这种精确控制能力的提高允许科学家们在有限的体积和时间范围内精确地操纵神经元，从而进一步探索大脑的内在运行机制。
在神经科学领域中，光遗传学应用最为广泛。
例如，在控制翅膀打击的进化神经学研究中，光敏化神经节细胞是如何推动肌肉收缩的。
在学习和行为的研究中，光刺激可以使小鼠体内的恐惧保持更长时间。
在脑外科学中，光遗传学被应用于控制感染或关键细胞的凋亡等。
二、光遗传学研究的发展光遗传学研究已经有了很多突破性进展，这其中包括神经光敏素（ChR）的发现和优化，以及各种高效的光源和自动化系统的发展。
此外，新的荧光蛋白和光化学工具的发现，也为研究者提供了更广阔的应用场景和研究角度。
从最初的神经元光刺激到控制神经网络功能、修正学习和记忆的异常，到最近的纠正失调细胞的基因表达，光遗传学的应用范围正在不断扩大。
而随着技术的发展和大规模应用，使得该技术的改进举措也越来越多。
光遗传学在医学中的应用前景
光遗传学在医学中的应用前景光遗传学（Optogenetics）是一种新兴的遗传学技术，它将光敏蛋白质基因导入目标细胞，并利用特定波长的光线控制蛋白质的表达和功能，从而实现对神经元活动的精确调控。
作为一项突破性技术，光遗传学被广泛应用于神经科学研究中，并取得了显著的进展。
然而，随着对光遗传学技术的不断深入研究，它在医学中的应用前景也变得越来越清晰，具有广阔的发展空间和应用前景。
一、光遗传学技术的优势1. 高效性：光遗传学技术可以实现对神经元活动的高效调控，可持续控制数小时，甚至数天。
2. 精确性：光敏蛋白质基因只会表达在特定类型的神经元中，经光刺激后只会产生特定的影响，因此具有非常高的精确性。
3. 可控性：光遗传学技术只需要外部光源即可实现对神经元活动的调控，光线可以通过微型光纤、激光和LED等工具进行有效控制。
二、光遗传学在脑科学研究中的应用光遗传学技术在脑科学研究中应用非常广泛，在分子水平、细胞水平和系统水平上帮助了神经科学家们更好地理解了神经元的运行机制和神经系统的功能。
例如：1. 神经元可塑性研究：通过光遗传学技术，神经科学家们可以精确地控制神经元的活动，并研究不同的刺激对神经元可塑性的影响，以此寻找新的治疗方法。
2. 神经网络解析：通过光遗传学技术可以实现对神经网络特定细胞种群的有选择性激活和抑制，从而研究神经网络的构建和规律。
以上两个应用仅是冰山一角，随着光遗传学技术的不断改进，越来越多的应用将会涌现出来。
三、光遗传学在医学中的应用前景光遗传学技术有望成为医学领域的一种新的治疗手段，因为它可以实现对神经元活动的高效、精确、可控调控。
下面将列举几个潜在的光遗传学技术在医学领域的应用前景。
1. 疼痛治疗：疼痛是很多疾病的一个主要表现，使用光遗传学技术可以实现对神经元活动的精确控制，并调整病人的疼痛感觉。
2. 精神疾病治疗：精神疾病是一个复杂的疾病类别，它的治疗方式多样，但尚未找到有效的治疗方法。
NATUREMETHODS十大技术之一—光遗传学
NATURE METHODS十大技术之一—光遗传学近期光遗传学之父Dr.Georg Nagel造访了咱们金开瑞，据说这位大大是诺贝尔奖的热门候选者，那么一脸懵逼的吃瓜群众就发问了：啥是光遗传学，听起来好高大上！何为光遗传学？光遗传学（optogenetics）是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。
其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR 等）转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。
光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。
Nature Methods杂志在十周年之际推出了纪念特刊，点评了在过去十年中对生物学研究影响最深的十大技术，其中就包括光遗传学技术。
我们可以毫不夸张地说，光遗传学技术给神经学带来了一场革命。
现在，这一技术已经迅速成为了许多实验室里的标准工具。
越来越多的人相信，光遗传学技术不仅可以阐明疾病机理，还能够治疗多种人类疾病（比如与视网膜有关的疾病）。
光遗传学技术好在哪儿？用光读取和控制神经活性的好处很明显，这种技术是非侵入性的，能在精确的时空点上进行靶标，可以同时采用多种波长和位点，能报告特定分子的存在或活性。
在信号读取方面，人们开发了高度敏感的探针，检测突触的释放、细胞内钙离子和膜电压。
在神经元操纵方面，人们鉴定和优化了一系列激活和失活神经元的蛋白。
光遗传学技术已经渗透到了神经学的每一个角落，研究者们不仅用它来研究大脑的基础功能，还在动物模型中探索疾病的发病机制。
光遗传学的激活子和抑制子可以在同一个细胞内表达，这对于因果关系的建立特别有帮助。
在光遗传学领域，开发新探针是至关重要的。
人们对光敏蛋白Channelrhodopsin及其突变体进行不断改造，开发了更利于双光子激发的C1V1、能在大脑深处或透过头盖骨激活的ReaChR。
光遗传学技术在神经科学研究中的应用
光遗传学技术在神经科学研究中的应用光遗传学技术（Optogenetics）是近年来在神经科学领域中引起广泛关注的一项前沿技术。
它是将光敏蛋白与遗传学方法结合起来，通过光刺激来操控和研究神经元活动。
本文将从光遗传学的原理和技术应用方面，详细探讨光遗传学技术在神经科学研究中的应用。
光遗传学技术的基本原理是通过将光敏蛋白引入到特定的神经元亚群中，利用光刺激方式来激活或抑制这些神经元，从而控制相关行为或研究神经回路的功能。
光敏蛋白通常分为两大类别：光激活蛋白（opsin）和光敏酶（photolyase）。
opsin主要用于激活神经元，而photolyase则用于抑制神经元的活动。
传统的方法使用电刺激或药物注射来研究神经元活动存在一定的局限性，而光遗传学技术可以通过光刺激方式，精确地调控神经元的活动。
光遗传学技术不仅可以实现精确的时序控制，还可以对特定的亚群神经元进行选择性刺激。
这为深入研究神经回路的功能和调控机制提供了重要的手段。
光遗传学技术在神经科学研究中的应用可以分为三个方面：控制神经元活动、追踪神经回路和研究神经系统疾病。
首先，光遗传学技术可以精确控制神经元的活动状态，从而研究神经回路在行为表现中的作用。
通过激活特定的神经元亚群，可以观察到行为表现是否发生改变，从而揭示神经回路的功能和行为调控机制。
例如，通过激活神经回路中的多巴胺神经元，研究者可以模拟奖赏系统的激活，进而观察动物的行为奖赏反应。
其次，光遗传学技术还可以用于追踪神经回路的连接和信息传递。
通过将光敏蛋白标记在特定神经元亚群上，可以精确地追踪神经回路的连接和信息传递。
这种方法可以帮助我们更好地理解神经系统的结构和功能。
例如，通过标记光敏蛋白在感觉神经元上，可以追踪感觉信息在神经回路中的传递路径和信息处理过程。
最后，光遗传学技术还可以用于研究神经系统疾病。
通过研究激活或抑制特定神经元亚群在疾病模型中的效应，可以揭示神经系统疾病的发生机制和治疗靶点。
光遗传蛋白激活光谱
光遗传蛋白激活光谱
光遗传蛋白（Optogenetic Proteins）是一类能够对光刺激产生响应的蛋白质，常被用于调控细胞活动、信号传导或基因表达。
这些蛋白质能够通过光的作用发生结构变化，从而改变它们的活性。
光遗传蛋白的激活光谱指的是这些蛋白质对不同波长的光的敏感性范围。
常见的光遗传蛋白包括：
光感受离子通道（Light-Gated Ion Channels）：
如光敏离子通道ChR2（Channelrhodopsin-2），它在受到特定波长的光照射后，会导致通道打开，使正离子进入细胞内，触发细胞的兴奋。
光感受酶（Light-Sensitive Enzymes）：
如蓝光酶（LOV，Light-Oxygen-V oltage），这类酶在受到光照射后会发生构象变化，从而影响酶的催化活性。
LOV蛋白常被用于调控蛋白的降解。
光感受蛋白（Light-Sensitive Proteins）：
如Phytochromes，这是一类受红光控制的蛋白，其结构会在红光和远红光的作用下发生变化，从而影响它们的功能。
光遗传蛋白的激活光谱可以根据它们的结构和特性而有所不同。
例如，ChR2主要对蓝光敏感，而LOV蛋白则对蓝光和紫外光敏感。
科研人员可以根据实验需要选择不同的光遗传蛋白，以实现对细胞活动的精确调控。
利用光遗传蛋白的激活光谱，科学家可以通过选择合适波长的光来操纵特定蛋白的活性，从而实现对细胞、组织或器官的精确控制，为生物学研究和医学应用提供了强大的工具。
动物光遗传化学具体步骤及详细方法
动物光遗传化学具体步骤及详细方法光遗传学（optogenetics）是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的技术，其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等）转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。
光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，如Cl-、Na+、H+、K+，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。
2010年光遗传学被《Nature Methods》杂志评选为“最受关注科技成果技术”之一，这项技术可应用多种神经紊乱类疾病的治疗，如癫痫、帕金森症、慢性疼痛症、抑郁症、成瘾症等。
基本原理光敏感蛋白根据功能分为激活神经元的光敏感蛋白、抑制神经元的光敏感蛋白和控制体内G蛋白偶联信号的光敏感蛋白。
典型的用于激活神经元的光敏感通道蛋白为ChR2（channelrhodopsin），ChR2是一种离子通道蛋白，在蓝光（最大激发峰在470nm 波长附近）的激发下会诱导阳离子通道的打开，促使神经元的去极化，进而诱发动作电位，激活神经元。
典型的抑制神经元活动的光敏感蛋白为NpHR （盐系菌视紫红质），该蛋白在黄绿光（最大激发峰在590nm 波长附近）的激发下会诱导氯离子通道的打开，氯离子内流造成神经元的超极化，从而抑制神经元动作电位的产生。
除此之外，还有在苏打盐红菌里发现的Arch（古紫质），该蛋白在黄绿光（最大激发峰在566nm 波长附近）的激发下会诱导质子的外流，从而产生超极化信号，抑制神经元的活动。
优势光遗传常用病毒工具如何使用光遗传学病毒工具进行研究Step1：寻找合适的光敏蛋白光敏蛋白可分为激活型和抑制型两种，能够引起神经元兴奋或抑制。
其光灵敏度和动力学之间存在负相关，激活或抑制能力强弱与时间的精准控制密切相关，所以，根据光敏感蛋白的不同特性寻找合适的光敏感蛋白是首要步骤。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Opto genetics
光遗传学原理及应用TeoLinc（泰耳光电）光遗传
演讲PPT
光遗传学基本原理光遗传学基本操作光遗传学应用光遗传学与电生理
Karl Deisseroth, M.D., Ph.D.
光遗传学之父
FENG ZHANG, Ph.D.
成功的老板后面有一群成功的学生Opto genetics 2005—
2015
Opto genetics基本原理
光感蛋白表达
光感蛋白被光激活
光感蛋白
470nm 蓝光 兴奋性通道 590nm 、566nm 黄光 抑制性性通道
藻类
土壤或水体 盐碱古菌 盐湖 光感蛋白
Problems of WT ChR2
Development of ChR2
（E123T）
MAX: 200Hz
Problems of WT NpHR NpHR在内质网内大量堆积
Development of NpHR
Development of BR
Opto genetics 基本操作
Opto genetics 光学控制
操作
遗传操作 光源（激光/LED ）
光纤、跳线等 病毒表达 或转基因
病毒表达
病毒注射 promoter opsin 质粒
AA V 病毒
病毒表达 pAAV-hSyn -Con/Fon hChR2(H134R)-EYFP-WPRE
pAAV-Ef1a-DIO hChR2(H134R)-EYFP-WPRE
pAAV-CamKII -hChR2 (T159C)-p2A-EYFP-WPRE pAAV-hThy1-eArch 3.0-EYFP pAAV-hSyn -eNpHR 3.0-EYFP pAAV-CaMKIIa -eNpHR3.0-EYFP pAAV-Ef1a-DIO eArch 3.0-EYFP Promoter ： 特异：CamK II, ChAT, GFAP, c-Fos 广谱: Syn ，Thy1 Cre/loxp 系统：DIO+cre transgenic mice
转基因
Thy1-ChR2-eYFP ai27,ai32,ai35,ai39
Loxp-ChR2-mCherry
Loxp-ChR2-eYFP
Loxp-Arch-eYFP
Loxp-NpHR-eYFP
Ai39+PV-cre
光学操作Laser LED
套管
光源控制器
插芯
Opto genetics的应用
精确控制特异脑区
甄别细胞类型
控制特异细胞
控制特异环路
Optogenetics对海马dCA1进行精确操控
Inbal Goshen,et al.,cell,2011
Optogenetics对mPFC延时电活动进行精确操控
Ding Liu, et al.,science,2014
Optogenetics直接证明记忆痕迹的存在
记忆存在哪里？记忆是否有痕迹？
Xu Liu, et al.,nature,2012
Optogenetics研究特异类型细胞功能
兴奋性神经元和抑制性神经元（interneuron)
posterior dorsal subdivision of medial amygdala(MeApd)
Weizhe Hong,et al.,cell,2014
Optogenetics研究特异类型细胞功能
PV interneuron SOM interneuron
Steffen B. E. Wolff,et al.,nature,2014 Matthew Lovett-Barron, et al.,science,2014
Optogenetics研究特异环路功能
BLA-CeA circuit
Tye KM,et al.,nature,2011
Opto genetics与活体电生理
在体多通道记录系统
光遗传学系统
光电极
甄别细胞类型
光电一体系统
Opto genetics与Patch clamp
光感蛋白功能验证
是否可以在脑片上研究环路？
怎么做呢？
Opto genetics与Patch clamp
Polygon 400
任性刺激形状编辑，多点、多波长同时刺激
Polygon 400与Patch clamp
操作实例安装简单方便
BLA Auditory cortex thalamus Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex
输入环路整合
Hippocampus CA1 CA3 Entorhinal Cortex 470nm 470nm ChR2-mCherry ChR2-eYFP
输入环路整合
New York, New York, USA
亚细胞结构刺激
University of Western Sydney, Australia
Rice University, Houston
未完待续。
Any question?。