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）。

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