2016年7月4日

用光與化學分子控制大腦!

作者/連正章(陽明大學神經科學研究所教授,近年利用光遺傳學與化學遺傳學致於瞭解神經系統的神經訊息傳遞。)、侯文賢(陽明大學神經科學研究所博士生,致力於了解大腦中杏仁核局部迴路與情緒及行為之間的關聯性。)、王凱誼(陽明大學神經科學研究所碩士班學生,利用化學遺傳學技術探討齒狀迴中苔蘚細胞對學習記憶的重要性。)、高敏華(陽明神研所碩士班畢業,大學就讀交大生物科技學系,學業外,一直都很喜歡塗鴉畫畫。)

要解開大腦之謎,就像是要了解一支機械式或電子式手錶一樣,其中一個方式就是將它全部拆解,了解每一個零件例如齒輪或電阻的位置與特性、零件間如何連結、與局部迴路的功能。近十年來,神經科學已進入研究腦區間交互作用的聯結體(connectome)時代,傳統研究神經元一對一的神經傳導的進展過於緩慢,且較難了解其與生理行為的因果關係。但今日結合光、化學與基因工程產生的新技術:光遺傳學(optogenetics)與化學遺傳學(chemogenetics)使大腦聯結體的研究速度大幅提升。

光遺傳學─利用光操縱大腦及行為
史丹佛大學教授與神經學家代塞爾羅思(Karl Deisseroth)、博依登 (Edward Boyden)在2006年的《自然神經科學》(Nature Neuroscience)期刊上發表了一項驚人成果,他們將藍綠藻上發現的光敏感性離子通道(圖一)表現於神經細胞後,便可藉由照射藍光來興奮神經細胞。這項技術稱為光遺傳學,已廣泛用於往後的神經科學研究。

光敏感性離子通透蛋白依功能分為: 興奮型離子通道 —— 光敏感通道–2
(Channelrhodopsin-2, ChR2)與抑制型離子幫浦──嗜鹽視紫紅質(Halorhodopsin, NpHR)。只要給予不同波長的光刺激,就會對細胞產生截然不同的效果(圖二)。

ChR2是一種陽離子通道,在接受藍光刺激之後孔道便會打開,使氫離子、鈉離子與鈣離子流入細胞,進而造成神經細胞的去極化(depolarization),如果流入的陽離子足以使神經元去極化的程度達到動作電位的閾值,則會使神經細胞產生動作電位。另一方面,抑制型的NpHR為氯離子幫浦,在接受黃橘光刺激之後,藉由使負離子流入神經元中以降低細胞的膜電位,造成細胞過極化(hyperpolarization)而大幅降低產生動作電位的可能性。除了較常見的NpHR外,另一種能使神經元膜電位降低的氫離子幫浦稱作古紫質(Archeorhodopsin, Arch),受光刺激活化的Arch能將帶正電荷的氫離子以主動運輸的方式排出細胞外,因而降低細胞的膜電位。......【更詳細的內容請見科學月刊第559期】

圖一:藍綠藻照光之後活化光敏感性離子通道而開始移動,
從其中抽取之ChR2 基因被應用在光遺傳學。
圖二:光遺傳學中使用的興奮型陽離子通道ChR2(左);
抑制型的氯離子幫浦NpHR(中)及氫離子幫浦Arch(右)。

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