光遺傳學 神經科學

9月月末結尾文 – Optogenetics

在本月的光遺傳學專題系列文章中,我們陸續介紹了問世後蓬勃發展的光遺傳學技術其近期應用與腦神經科學研究。(延伸閱讀|9 月主題介紹-光遺傳學 Optogenetics 月初介紹文

在基因轉錄轉譯的層面上, 「 光調控開關 」 對比利用化學開關顯著的優勢在於 「 可逆性 」 的精準基因表現調控,而 Julia Baaske 等人的團隊也在光反應蛋白模組實驗中證明抑制轉譯後蛋白質產物的可行性。(延伸閱讀|工具箱升級! — Blue-OFF 雙重光調控系統 )另外來自史丹佛大學的研究團隊在 2018 年發起 Biofilm Lithography 研究計畫,成功設計「光調控開關 (optogenetic switches)」控制帶有光驅動啟動子 (pDawn) 的大腸桿菌沿著藍光形成生物膜。(延伸閱讀| 「刻」出你想要的:光遺傳學在生物膜上的新應用

另外在神經科學方面,光遺傳學技術也協助探索複雜的神經迴路。過往的深層腦刺激術已開始被用於治療藥物療效不佳的帕金森氏症病患多年,科學家除了做出諸多研究試圖了解涉及的神經迴路,也嘗試將深層腦刺激術原理限縮到操縱特定的神經元。例如 雙光子鈣成像 影像刺激小鼠初級視覺皮質的神經叢集 (neuronal ensemble),進而引發的舔水反應,可以在後續雙光子雷射直接激發神經叢集時產生甚至更活躍的舔水行為,有如成功以激發神經元產生視幻覺一般。(延伸閱讀|人造幻覺?在沒有感覺輸入的狀態下產生感知)科學家從小鼠神經迴路研究中也有許多斬獲,例如過去報導過研究中腦黑質核區中膽鹼能經元 (cholinergic neuron) 負責的獎勵行為與運動功能,有潛力可以治療物質成癮 (substance dependence) 。 (延伸閱讀|光遺傳學揭露影響運動與獎勵行為的神經迴路)在直接控制小鼠獵食行為的研究中,光遺傳學與化學遺傳學的實驗結果符合,發現由杏仁核投射向腦幹的迴路中分別掌管有涉及不同的獵食步驟。(延伸閱讀|獵殺的神經科學:杏仁核的中央核控制脊椎動物的獵食行為

總體而言光遺傳學技術在精準調控每個目標的同時,科學家得以串連更多基因表現、生理現象與巨觀下動物行為變化的關聯性。在2009年時即被 Gero Miesenböck 預示為可以洞悉神經迴路研究及動物行為神經科學的光遺傳學技術,相信是持續照亮往後研究的明燈。

圖片說明:經基因轉殖小鼠的特定神經元上的離子通道能被光電極 (Optrode) 中特定波長光線控制,以達到調控小鼠行為。 圖片來源:Buchen, L. (2010). Neuroscience: Illuminating the brain. Nature, 465(7294), 26-28. doi:10.1038/465026a

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林書岑

林書岑

現在正在台大生化科學所就讀碩士班,曾是2016年交大 iGEM 成員。希望藉由 investigator ,認識不同領域的人,拓展各種領域的知識。

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Sebastian Chen

慈濟大學醫學系,因為選修微免所免疫治療課程以及參與花蓮慈濟醫院內科研究團隊而開啟對學術寫作的興趣,也曾應邀投稿TINY NOTES臨床筆記,期許自己能夠參與更多科普推廣,以及學習從更多元的角度看待醫學。

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