光遗传学——照亮大脑和行为

大脑是复杂的。我们都知道这一点。就像一堆纠缠在一起的电线。尽管如此，多年来，神经科学家已经能够绘制出几个大脑区域及其在行为和生理方面的功能。相当令人印象深刻，但当精确确定哪些脑细胞负责什么功能时，许多事情仍然是一个谜。

传统的方法

传统上，这类研究使用两种方法，药物(化合物，药物)和电极。虽然药物可以针对特定的细胞受体来触发特定的神经元，但它们在时间上并不精确。给药后药效需要时间，一旦药效起作用，药物可以在体内停留一段时间。在大多数情况下，激活实际上持续了很长时间。如果细胞能像电灯开关一样被打开和关闭，那就简单多了。因此，许多科学家开始使用电极。然而，电极的问题是它们在空间上往往不够精确。所以在很多情况下，目标神经元附近的神经元也会被激活。

电灯泡矩

在过去的十年里，人们发明了一种新方法，可以用光激活甚至抑制神经元。就像打开电灯开关一样，真的。科学家们已经找到了一种方法，将光敏受体蛋白(最初发现于藻类中)插入哺乳动物的神经元中，使它们对特定波长的光激活敏感。这提供了前所未有的时间和空间精度。这种技术被命名并不奇怪年度方法(自然)在2010年。

我们说的是光遗传学。

光遗传学

“光遗传学是一种技术，可以有目标地、快速地控制生物系统中精确定义的事件，就像自由移动的哺乳动物一样复杂。”(卡尔·戴瑟罗斯自然方法，8,每股26到29)。

光遗传学在过去的几年里已经经历了快速的发展。虽然最初是在体外进行测试，但很快就可以在活体动物身上使用，最初是限制使用，现在是植入光纤的动物，这样它们就可以在笼子里自由活动。最初，蓝光被使用，现在新的感受器被开发出来，对其他波长的颜色敏感。

当然，光遗传学对行为研究也有很大的希望。现在我们不仅可以更具体地确定刺激某些神经元对行为的实际影响，还可以改进操作性条件反射任务和偏好/回避测试。这就是Noldus的用武之地:一个完美的挑战EthoVision XT而且试验和硬件控制。

我们研究神经科学的方法

加勒特·斯图伯(www.stuberlab.org不久前，他荣幸地访问了我们的总部(荷兰瓦赫宁根)，介绍了他的实验室在光遗传学方面的工作。正如他所说:“现在它是尖端技术，相对较新，还在不断完善中。但在5年内，这将成为我们研究神经科学的方法。”

成瘾和神经精神障碍

在斯图伯实验室，研究成瘾和神经精神障碍相关的神经回路。他们通过进行一些行为测试，对了解某些神经元的激活或失活是如何影响行为感兴趣。Stuber说:“如果没有自动触发器，很难进行这类测试。如果每次动物在你指定的位置或执行你指定的行为时，你都必须手动打开激光进行光遗传刺激，那么它就不能很好地工作。因此,试验与硬件控制对这类测试来说是必不可少的。”

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实时地点偏好

正如Stuber所描述的，在他们的实验室里，他们经常喜欢从直接的实时地点偏好测试开始。在这个测试中，动物被放置在一个有两个不同边的矩形开放场地中。其中一侧与光基因刺激配对。根据这种刺激是激活还是去激活，以及哪些神经元受到了影响，这对动物来说可能是一种奖励或厌恶的刺激。如果在接下来的训练中，动物在被刺激的一侧花更多的时间，那么就可以得出这样的结论:刺激产生了有益的效果。如果动物避开这边，刺激就是厌恶的。

在实践中,EthoVision XT试验和硬件控制程序将一个区域(一侧)与一个触发器配对。这个命令穿过io盒，打开激光进行光遗传刺激。“《Trial & Hardware Control》的伟大之处在于，你可以创建一个比动物位置(或行为)与触发器的配对更复杂的协议。你可以创建多个输出信号，例如定义五个不同的区域，并将它们与五个不同频率的光遗传刺激配对。这样你就能测试出最佳刺激频率是多少。这一点很重要，因为一些神经元负责不同的行为，这取决于它们的放电速率，因此也取决于它们受到刺激的频率。”

焦虑性和致焦虑性刺激

Stuber还利用光遗传学研究神经元可能的抗焦虑或致焦虑功能。他描述了一个15分钟的断断续续的刺激测试，在这个测试中，动物被放置在一个升高的迷宫中。EthoVision XT试验和硬件控制可以编程在测试的第6到10分钟开启光遗传刺激。在测试的前五分钟和后五分钟，动物不受刺激。动物的行为被录像记录下来。如果动物在刺激阶段花明显更多的时间在正迷宫的张开双臂中，刺激神经元被认为具有抗焦虑效果。

光遗传学在行为研究中的其他可能性

一种非常有价值但又直截了当的测试是光遗传刺激对开阔区域运动的响应。速度、运动和旋转都是有趣的行为，可以通过视频跟踪轻松评估，它们是神经元功能的有用指标。Stuber也提到了这一点试验与硬件控制在自动化操作性测试中，可以检测到动物的行为(例如戳鼻子或推杠杆)，并随后触发光遗传刺激，这是一个很好的资产。这既可以用于奖励学习，也可以用于厌恶学习。

光遗传学的“光明”未来

光遗传学在飞速发展的同时，未来的光遗传学研究还有更多的可能性。例如，虽然光遗传学经常被用来刺激神经元，但它也可以被用来干扰神经元信号，有效地关闭它们。光遗传学不仅可以刺激或使神经元失活，还可以用来记录神经元的活动。Stuber评论说，已经有很多原理的证明，但将其纳入行为测试的实际研究还没有发表。它确实给未来带来了巨大的希望，因为它已经可以可视化神经元的活动，甚至可以根据彩色光强区分放电速率。“如果能把这一切结合起来，那就太好了;刺激一种类型的神经元，同时记录它对另一种类型的神经元的影响，成像放电速率，同时跟踪动物的位置和行为，”Stuber说。

确认

感谢Garret Stuber和Stuber实验室(www.stuberlab.org)对这篇博文的帮助!

进一步的阅读

去www.stuberlab.org了解更多关于加勒特·斯图伯及其同事工作的信息。你可能会感兴趣的一些最新出版物:

• Stamatakis点;斯图伯，动力工程系(2012)。侧缰拉输入到中脑腹侧的激活促进行为回避。自然神经科学，15 (8), 1105 - 1107。
• 范·泽森，R;Phiilips J.L.;电子艺界Budygin;斯图伯，动力工程系(2012)。VTA - GABA神经元的激活破坏了奖励消耗。神经元，73, 1184 - 1194。
• 斯巴达,湄;Stamatakis点;菲利普斯,评论;连片øn;范·泽森，R.;Stuber，全球动力局(2011)。用于神经电路长期光遗传操作的植入式光纤的构建。自然的协议，7于,12日至23日。
• 存根,国民生产总值;布瑞特,摩根大通(J.P.;邦奇，A.(2011)。神经回路的光遗传调制，这是奖赏寻求的基础。生物精神病学,71, 1061 - 1067。
• 存根,国民生产总值;斯巴达,湄;Stamatakis点;范·莱文，W.;Harjoprajitno J.E.;秋,美国;方面K.M.;Kempadoo·;张,f;戴瑟罗斯,k; Bonci, A. (2011). Amygdala to nucleus accumbens excitatory transmission facilitates reward seeking.自然，475, 377 - 380。