神經科學 科學報導 細胞分子神經學

操控單一神經細胞,不再是夢想

由麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)以及巴黎第五大學(Paris Descartes University)的科學家所組成的跨國研究團隊,合併光遺傳學(Optogenetics)以及雙光子電腦全像術 (Two-photon computer-generated holography)兩種工具,成功實現單一神經細胞的精準操控。

2005 年問世的光遺傳學,讓神經科學領域取得了飛躍式的進展。科學家們可以選擇性地在小鼠的神經細胞中,大量表現來自海藻的第二型光敏離子通道視紫質(Light-sensitive channelrhodopsin-2,簡稱 ChR2),接著用光線活化 ChR2,刺激神經細胞產生動作電位(Action potential),藉以確認被刺激的神經細胞對於小鼠生理和行為的影響。

目前科學家利用光遺傳學的技術,已經找出許多和小鼠生理和行為有關的神經細胞,包括攝食行為(Feeding behavior)、睡眠與清醒調控(Sleep-wake control)、學習記憶(Learning and memory)等等。光遺傳學已成為當代神經科學研究不可或缺的工具之一,極具有獲得諾貝爾獎的潛力。而麻省理工學院團隊的領導人 Edward Boyden 副教授,正是光遺傳學的主要發明者之一。在過往的光遺傳學中,雖然可選擇性地操控「一群神經細胞」,但研究團隊並不因此而滿足,他們將目光放得更細――操控「單一神經細胞」,進而驗證「單一神經細胞即可影響生理和行為」的假設。

此項研究與隸屬於巴黎第五大學神經光子學實驗室(Neurophotonics Laboratory)的團隊合作,研究領導人為 Valentina Emiliani,負責提供雙光子電腦全像術,精準地將光線投射到單一神經細胞上。團隊遇到的第一個問題是:由於雙光子顯微鏡的強度較弱。因此研究團隊利用 Edward Boyden 等人在 2014 年發現的 CoChR2,其對光更為敏感,具有比 ChR2 高十倍的光電流(Photocurrent),用以克服雙光子的強度問題。

緊接而來的是第二個問題,因為傳統光遺傳學中,ChR2 表現在神經細胞中所有地方,包括細胞體、樹突以及軸突。即使精準照射光線於細胞體上可以活化 ChR2,並刺激神經細胞,也仍有機會同時刺激從其他神經細胞延伸而來的樹突或是軸突,造成許多非專一性的刺激,無法達到操控單一神經細胞的目的。研究團隊經過一番努力,找出了一個解決辦法,他們將一段紅藻胺酸受體次單元的片段(Kinate receptor subunit 2, 簡稱 KA2)和 CoChR2 接在一起成為一個融合蛋白(Fusion protein),KA2 會將 CoChR2 的表現限制在細胞體中,在樹突及軸突的表現則大為降低,因此減少非專一性的刺激。此一融合蛋白被稱為 soCoChR2(Somatic CoChR2)。

繪圖者:蘇子翔

結合新設計出的 soCoChR2 以及雙光子電腦全像術,研究團隊成功刺激單一神經細胞,更進一步將刺激條件最佳化,除了讓目標神經細胞百分之百對光產生反應,並將反應時間的差異限縮至一毫秒以下,使得每一次刺激的反應皆能保持一致,甚至在連續刺激的情況下依然可以穩定產生動作電位。

這項研究所發展出的次世代光遺傳學(Next-generation optogenetics),實現了科學家們長久以來追尋操控單一神經細胞的夢想。下一步,便是利用這項技術,驗證單一神經細胞所能造成的影響。

參考資料:

  1. Shemesh, O. A., Tanese, D., Zampini, V., Linghu, C., Piatkevich, K., Ronzitti, E., … Emiliani, V. (2017). Temporally precise single-cell-resolution optogenetics. Nature Neuroscience, 20(12), 1796-1806. doi:10.1038/s41593-017-0018-8
  2. Trafton, A. (2017, November 13). Next-generation optogenetic molecules control single neurons. MIT News. Retrieved from https://goo.gl/F1apHC

 

撰文│劉至堯

修訂│劉馨香

About the author

劉至堯

劉至堯

台大醫技系及微生物所畢業,目前於日本筑波大學的國際統合睡眠醫科學研究機構就讀博士班,研究領域為睡眠醫學。在求學過程當中,發覺生醫知識的推廣,以至於整體科學的普及,對於提升社會大眾健康與生活的重要性,希望藉由 Investigator 這個平台,一方面嘗試促進台灣的科學傳播,另一方面也能和來自不同領域、志同道合的朋友們一起交流、互相砥礪,為台灣這塊土地貢獻一己之力。