编者按：

在对精神和神经疾病发病机制的认识中，最重要的是确定介导疾病发生的神经环路，并通过精确干预这些环路来确定神经疾病和行为障碍直接因果关系。然而，要达到对神经精神疾病相关神经环路功能的精细化认识，传统的研究手段具有巨大的挑战性。

光遗传学可利用光激活视蛋白的手段，在高细胞特异性和时间特异性的程度上操纵细胞活性。光遗传学工具提供了一种建立大脑活动与健康、疾病行为之间因果关系的新方法。虽然没有动物模型能精确捕捉人类疾病，但通过光遗传学方法诱发和调节，可能使动物出现重现疾病症状的行为，包括与焦虑、恐惧、抑郁、成瘾、自闭症和帕金森症相关的行为。光遗传学的迅速发展为在动物模型中对潜在脑疾病的回路进行因果和精确剖析创造了新的机会。小编在这里给大家推荐Tye KM和Deisseroth K.发表在《Nature Reviews Neuroscience》题为“Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models”综述文章，作者系统介绍了光遗传学如何运用于鉴别恐惧、焦虑、抑郁、精神分裂症、成瘾、社交功能障碍、帕金森病和癫痫相关的动物模型的神经环路，并讨论了将光遗传学与电生理、药理学和行为评估相结合，以特定细胞类型或神经环路为治疗靶点的新策略。

一、光遗传学的研究进展

光遗传学的工具箱最主要的是一系列扩展功能的视蛋白变体，这些视蛋白在调控细胞活动中具有明显的优势，工具箱还包括光传递方案、病毒靶向策略和转基因动物靶向策略，这些工具箱能解析神经精神疾病相关行为环路的基础性方案，在这些工具箱基础上的研究进展推动了神经行为科学的不断进步。

1.新型视蛋白变体

早期的光遗传工具，如视紫红质通道蛋白2(ChR2)可在时间分辨率尺度上调节动作电位发生，卤视紫红质蛋白(NpHR)和质子泵则可使细胞膜超极化，抑制动作电位的产生。在此基础上不断对视蛋白进行改造而产生的光遗传学视蛋白工具箱，在实验设计上提供了更大的灵活性和更精细化的操作。

基因工程产生的视紫红质通道蛋白变体(ChETA家族和ChIEF)可在更短的时间范围内调节神经元动作电位的产生。OptoXRs(视紫质受体嵌合体)可通过光激活启动特定的G蛋白偶联信号级联。稳定阶跃函数视蛋白(SSFO)是ChR2的双突变体(Asp156Ala和Cys128Ser)，对光的敏感度比其他视蛋白变体更高，因此能够以非侵入性的方式激活表达SSFO的神经元。

图1.光遗传学视蛋白工具箱

2.光遗传学与影像学技术的结合

功能性磁共振成像(fMRI)与光遗传操作的结合被称为ofMRI，该结合方案很好地解释了fMRI血氧水平依赖信号（BOLD信号）的神经起源，即局部兴奋神经元中神经元活动的增加是触发BOLD信号前提条件，并且该方案还有可能精确分析光遗传操作对大脑整体活动的影响。

3.转基因啮齿动物在光遗传学中的应用

表达视蛋白的遗传特异性工具正在不断被改进，大量Cre重组酶驱动的小鼠品系已经被用于光遗传学相关研究中。目前转基因小鼠品系在研究神经精神疾病相关的细胞、环路和行为方面展现出强大的实用性，但由于缺乏在特定细胞类型中表达视蛋白的病毒工具，光遗传学在大鼠身上的细胞特异性研究仍存在困难。

二、光遗传学在行为学研究中的应用

光遗传学不仅在研究特定细胞类型和特定投射靶向策略方面展现前所未有的精度，光遗传学在时间尺度上也已经开始改变及重塑行为分析模式。例如：传统药理学研究只能单向操作对行为学进行研究，而光遗传学由于其精确激活和可逆性，因此可以将多个时间点的行为检测集中在一个时间段内进行。条件位置偏好(CPP)需要经过长期的训练形成才能形成奖赏相关的行为记忆，随后在行为学检测中才能判断是否形成了条件位置偏好。而光遗传学由于其灵活性，当动物在进入特定的小隔间时，采用光遗传学激活神经元来形成特定的位置偏好，因此能大大缩短传统行为检测的时间，并通过改变光刺激模式，收集到更丰富的数据信息。

三、在体光遗传学的设计

为了更直接地明确介导精神疾病行为的神经环路，需要进行操作在体光遗传学，而在设计在体光遗传学的时候需要有一整套考虑因素。例如在选择视蛋白时，光敏感度和光激活程度之间可能存在负相关；为了更精确的进行时间调节，可能需要进行更大范围的神经元群体的激活等。

方框1.脑疾病研究中在体光遗传学实验的设计流程

此外，视蛋白靶向策略对实验结果也有很大的影响，最常用的方案是病毒靶向策略，通过脑区注射将视蛋白限制在一定范围内表达，当病毒经过自我复制后，病毒便具有示踪能力，通过顺行示踪将视蛋白输送到神经元投射的下游脑区。目前有许多启动子可将病毒特异性表达在靶细胞上，最常用的病毒载体是慢病毒和腺相关病毒。对于无法包装到病毒载体的启动子序列，Cre重组酶驱动与依赖Cre的视蛋白表达的病毒载体结合是一个有效的替代方案。此外，构建细胞特异性的转基因小鼠，在某些类型的细胞中组成型表达ChR2，可以避免病毒感染过程的负面影响。

图2.在体光遗传学的靶向策略

四、介导焦虑和恐惧的神经环路

焦虑障碍是最常见的一类精神疾病，包括广泛性焦虑障碍、惊恐障碍、创伤后应激障碍(PTSD)和恐惧症等。目前临床上焦虑障碍的治疗方案的疗效并不明显。而通过动物焦虑模型中建立投射特异性光遗传靶向方案，已经成功识别出杏仁核相关神经环路可以快速和可逆地调节自由活动小鼠的焦虑水平。基底外侧杏仁核(BLA)的投射神经元有许多下游靶点，包括杏仁核的中央外侧核和中央内侧核，伏隔核(NAc)、前额叶皮质、终纹床核。因此，光遗传靶向特定神经投射是解决杏仁核特定环路引起的内源性焦虑的最有效途径。

恐慌症的特点是强烈的恐惧和自主神经的唤醒，可由先前与恐惧相关的环境中的非危险信号所触发。长期以来，人们一直认为杏仁外侧核是处理恐惧的关键脑区，光遗传选择性地激活杏仁外侧核的谷氨酸能锥体神经元，可引起小鼠强烈的恐惧。

图3.利用光遗传学对杏仁核的微环路进行功能解析

五、介导药物成瘾的神经环路

药物成瘾是一种慢性复发性疾病，其特征是强迫性寻觅药物和对药物的渴求。传统观点认为成瘾“劫持”了大脑的自然奖赏系统，因此，了解介导奖赏的神经环路对于理解药物成瘾的病理生理学机制至关重要。中脑边缘多巴胺系统参与奖励信息的处理过程，其中NAc高度参与奖励信息的处理和其他与成瘾有关的行为，但对于介导这些行为的神经环路机制并不清楚。

通过光遗传学研究发现NAc中表达不同多巴胺受体亚型的神经元对可卡因的位置偏爱有不同的调节作用：激活D1-MSN(中等有棘神经元)增强可卡因的CPP，而激活D2-MSN则抑制可卡因CPP。此外，NAc的胆碱能神经元参与调节可卡因奖赏相关位置偏好。

图4.利用光遗传学对中脑边缘多巴胺系统环路进行功能解析

六、介导抑郁症的神经环路

抑郁症的终生患病率是13%，但抑郁症相关的情绪障碍的病理生理机制尚不清楚。目前大多数的抗抑郁药物治疗效果差，即使药物治疗有效，也需要在服药后4-6周才能显示出疗效。临床上深部脑刺激(DBS)对改善抑郁症症状有明显的疗效，但是传统的研究手段对于研究改善抑郁症背后的机制存在较大的困难。

光遗传学技术的运用可有助于了解DBS改善抑郁症背后的神经环路机制，通过光遗传学在抑郁表型小鼠的前额叶皮质锥体神经元的胞体表达ChR2，光激活ChR2则可产生明显的抗抑郁作用。前额叶皮质投射到中缝背侧核、中缝内侧核、杏仁核和其他被认为参与情绪调节的脑区，使用光遗传学的靶向策略解析这些投射功能有助于开发更有效的抗抑郁治疗方案。

七、介导自闭症和精神分裂症的神经环路

临床上自闭症和精神分裂症患者表现出各种各样的症状，精神分裂症的症状包括说话和行为混乱、幻觉、妄想和社交功能障碍等消极症状。这可能与神经环路兴奋和抑制平衡失衡以及皮质神经网络的振荡改变有关。目前精神分裂症的动物模型仍在优化中，但基础研究发现新皮质小清蛋白神经元的数量和功能减少，导致神经环路的兴奋抑制失衡和神经网络震荡的改变，可能是精神分裂症发病的主要原因。

自闭症症状的复杂性和多变性使其研究变得异常困难，但有一种理论认为，细胞兴奋和抑制失衡(兴奋-抑制失衡)可能是自闭症发病原因。光遗传学工具通过诱导兴奋-抑制失衡，提供了实证检验这个观点的能力。光遗传学在前额叶皮层的谷氨酸能神经元中表达SSFO，增加谷氨酸能神经元的兴奋性，导致伽马频段(30-80赫兹)的节律性活动增加，驱动了自闭症的发生。

八、介导神经功能障碍的环路

光遗传学方法已经被应用于各种神经疾病的基础性问题的研究，如帕金森氏病，癫痫，神经元功能丧失导致的失明，呼吸衰竭和神经精神性睡眠障碍。也加深了人们对运动神经环路的理解。

例如，基底节通过促进运动的直接通路和抑制运动的间接通路影响运动行为。帕金森氏病是一种神经退行性疾病，以僵硬、震颤和运动缓慢为主要特征。丘脑底核(STN)的DBS在治疗与帕金森氏病相关的运动障碍方面具有显著的疗效，选择性光遗传控制STN中的传入纤维对偏侧帕金森病大鼠模型的运动行为具有明显的治疗作用。

图5.利用光遗传学对基底节神经环路进行功能解析

九、结论

本综述对近期光遗传学工具在神经精神疾病相关研究的进展进行了系统的总结。光遗传学在精细化调控方面的巨大优势，推进了神经精神疾病相关神经环路的功能解析，加深了人们对脑相关疾病背后的病理生理学进程的认识。

尽管已经取得了丰富的研究成果，但是对于光遗传学的进一步研究仍有很多工作要做。比如光遗传学解析非人灵长类动物中神经精神疾病的神经环路机制，光遗传学视蛋白的进一步完善以及更完善的神经元靶向策略等。鉴于神经精神疾病具有很高的共同发病率，运用更完善的光遗传学策略解析不同疾病的共同特征，会成为简化神经科学相关研究范式的重要手段。

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