使用多色可见光对多个神经元群进行独立的光遗传学操作，提供了复杂的大脑功能和行为解剖的能力。为了减轻有创的光纤插入，具有深层组织穿透力的红外光激发上转换纳米粒子（UCNPs）已经在光遗传学中得到实施。然而，由于多个发射峰引起的色度串扰，传统的UCNPs或其混合物不能独立激活多个目标神经元群体。
2021年9月27日，来自复旦大学张凡、张嘉漪等研究团队在Nature Communications上在线发表了题为“Near-infrared manipulation of multipleneuronal populations via trichromatic upconversion”的研究论文，报告了通过精心设计的具有激发特异性发光的三色UCNPs的近红外多色光遗传学，这种强度可调的刺激不仅可以选择性地激活不同的神经元群，还可以实现对清醒小鼠运动行为的经颅选择性调控，这为多色上转换光遗传学提供了可能。
对大脑活动的精确调控长期以来一直是大脑功能解剖、神经疾病治疗和脑机接口所需要的。事实证明，光遗传学在神经科学中得到了广泛的应用，可以剖析一种特定类型的神经元在控制感觉、运动、记忆、情绪和社会行为的众多神经回路中的作用。皮质和其他电路的信息处理需要在广泛的空间范围内整合输入，从局部微循环到长距离连接。剖析每种神经元类型的功能可能不需要同时激活，但定量比较多种途径的强度需要在多种神经元群体中进行细胞类型的特异性操作。因此，研究多种途径是人们所期望的，但仍然是一个很大的挑战，这需要在一个准备中协调激活和抑制同一脑区的不同神经元类型。通过多色调制对不同细胞类型的独立控制是可行的。由于建立了光遗传学蛋白家族，以及针对神经系统中各种细胞类型的遗传工具，现在能够开发一个多色光遗传学的工具包。
光遗传学的潜在临床应用包括抑制癫痫和缓解疼痛。由于头骨和皮肤的存在，以及可见光的短穿透深度，光遗传学的刺激通常需要插入光学装置的侵入性。近红外（NIR）激发的上转换纳米粒子（UCNPs）具有窄发射带宽和抗光漂白的特点，与可见光相比，具有深层组织渗透的优势，已被用于斑马鱼幼虫和小鼠的非侵入性远程激活神经元，以及NIR视觉的扩展。
用于多色光遗传学的传统UCNPs的主要问题是，单一的近红外激发产生了不同类型的单色UCNP共存的多个发射带。直接混合单色UCNPs会导致不同的神经元群体之间的交叉对话，而这种交叉对话在多成分混合物中是无法独立控制的。独立激活不同的神经群需要兴奋特定的非交叉交谈的多色发射和连续波（CW）光的脉冲调制，以便在时间上也能控制加压。但在连续波近红外激发下，激发反应性的上转换发光仍然只限于绿色和蓝色两种颜色的发射。虽然通过非稳态上转换已经实现了不同的三色发射，但当应用于复杂的神经元刺激时，特定激光脉冲模式的要求将限制调制模式。
该研究报告了一种CW近红外可激发的三色UCNPs，用于对三个不同的神经元群体进行远程光遗传学调控。对于核心-多壳结构的三色发光UCNPs，蓝色、绿色和红色的发射分别由相应的980、808和1532纳米的CW激光触发。相比之下，三种不同的单色UCNPs的混合物显示出多色发射。作为概念验证，使用三色UCNPs选择性地激活三种类型的基因靶向神经元，即表达抑制性副白蛋白（PV）的ChR2、表达体蛋白（SOM）的ChrimsonR神经元以及表达兴奋性Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶IIα（CaMKIIα）的C1V1神经元的初级视觉皮层。三种不同的近红外光，可以渗透到脑组织中，激发三色的UCNPs，分别激活PV、SOM和CamKIIα神经元。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25993-7
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！联系邮箱: yzhao@koushare.com