双光子光遗传学精准调控原代神经元文献综述

 2022-12-31 03:12

1、研究背景

近几年，脑科学呈现出迅猛的发展态势，脑科学与相关科学的结合有可能孕育新一轮的产业革命[1]。光遗传学作为脑科学研究中的有力工具，已逐渐成为研究者们关注的热点[2, 3]。由于大脑是不透明的强散射介质，可见光的穿透深度非常有限，因此传统的光遗传学不得不采用向脑中植入光纤的方式实现光刺激[4]。但是，这种方式有以下三个显著的缺点。第一，会在一定程度上损伤脑部组织。第二，实验装置较为固定，不能实现刺激部位的自由移动。第三，由于光纤直径过大，以及组织内的散射无法避免，因此刺激光斑过大，难以实现单细胞尺度上的精准调控[5]。因此，非侵入式的、能实现精准调控的新技术的发展具有重要意义。

2、研究基础

2.1神经环路

随着脑科学研究的不断深入，研究者逐渐发现，对单一神经元或脑区的研究不足以解释大脑的复杂功能。神经环路作为实现某一功能或传递反馈的基本单位，已成为研究的热点。

每个神经元都含有大量突触，神经元之间通过突触彼此相连，从而形成复杂的神经环路，一个神经环路中可能涉及许多位于不同脑区的多种类型神经元[6]。它们的连接方式包括发散式、聚合式、环式三种[7]。神经环路作为一个整体，行使着信息加工处理的功能。因此，神经环路是脑内信息处理的基本单位[8]。

相较于细胞分子层面研究，系统与整合的探索可能对于脑功能机理的解析更具有现实和突破性意义。

2.2双光子光遗传及相关技术

单光子荧光激发是指，处于稳定基态的荧光分子接受一个光子后，能量跃迁至较不稳定的另一能级，随后通过释放另一种光子发出荧光的方式回落到稳定的基态。

而双光子荧光激发是指，处于基态的荧光分子先后吸收两个光子到达激发态，随后释放荧光回落到稳定的基态。在这一过程中，荧光的波长通常是入射光波长的一半[9]。

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