來自哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)和麻省理工學院的研究人員開發了一種新方法，可以針對大腦中患病的神經元，并利用光改變它們的長期行為，為癲癇和自閉癥等神經系統疾病的潛在新療法鋪平了道路。

這項研究發表在《科學進展》雜志上。

“我們設想，這項技術將為神經科學和行為研究的神經元的高時空分辨率控制提供新的機會，并為神經疾病開發新的治療方法，”生物工程助理教授、該研究的共同高級作者Jia Liu說。

光遺傳學，即利用光來刺激或抑制神經元，長期以來一直有望徹底改變由神經元興奮性過強或過弱引起的神經系統疾病的研究和治療。然而，目前的光遺傳技術只能在短期內改變神經元的興奮性。一旦光線熄滅，神經元就會恢復到原來的行為。

納米技術的最新進展，包括劉和他的團隊首創的柔性可植入納米電子技術，可能會在長期內改變神經元的行為，但這些設備需要植入大腦，不能針對與疾病有關的特定神經元進行編程。

神經元的興奮性由兩個主要因素決定——它的離子通道導電性和細胞膜儲存電荷的能力，也就是它的電容。

大多數光遺傳技術以離子通道電導率為目標，通過打開或關閉一組特定通道來調節神經元的興奮性。這種方法可以有效地調節神經元的興奮性，但只是短暫的。

“你可以把神經元想象成一個電阻-電容電路，而細胞膜則是一種介電材料，”Jia Liu說。“就像任何電路一樣，如果你改變材料的電容——在這種情況下是細胞膜——你就可以改變電路的內在興奮性，從高興奮性到低興奮性，反之亦然。”

為了改變細胞膜的電容，Liu與麻省理工學院化學助理教授 Xiao Wang合作，使用了能在細胞膜表面引發絕緣或導電聚合物形成的光敏酶。

這些酶可以被設計成靶向特定神經元的細胞膜。一旦酶附著在特定的膜上，研究人員用藍色波長的光照射神經元，在幾分鐘內觸發膜上絕緣或導電涂層的生成。他們證明，具有絕緣聚合物涂層的神經元變得更容易興奮，而具有導電聚合物涂層的神經元變得不那么容易興奮。

研究人員發現，他們可以通過調節暴露在光線下的時間來調節興奮性——神經元暴露在光線下的時間越長，涂層的絕緣性或導電性就越強。研究小組還表明，只要他們能讓神經元在培養皿中存活，興奮性的變化就會持續三天。

接下來，該團隊打算用腦組織切片和動物實驗來測試這種方法。

“這項工作的首要目標是實現范式轉換方法，將功能材料、結構和器件集成到具有亞細胞和細胞類型特異性的活神經系統中，這將允許精確操縱亞細胞電化學特性，重塑活神經系統中神經元的興奮性”。

該項目部分由空軍科學研究辦公室青年研究員計劃(FA9550-22-1-0228)、國家科學基金會(DMR-2011754)通過哈佛大學材料研究科學與工程中心(DMR-2011754)以及哈佛大學院長有前途獎學金競爭基金支持。

Journal Reference:

1. Chanan D. Sessler, Yiming Zhou, Wenbo Wang, Nolan D. Hartley, Zhanyan Fu, David Graykowski, Morgan Sheng, Xiao Wang, Jia Liu. Optogenetic polymerization and assembly of electrically functional polymers for modulation of single-neuron excitability. Science Advances, 2022; 8 (49) DOI: 10.1126/sciadv.ade1136