Nature neuroscience：光遗传调控需要谨慎解释光热效应对神经元放电的影响

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所谓的光遗传调控（optogenetic），通俗地讲，就是首先通过在神经元中表达光敏蛋白，然后给予这些神经元特定频率光刺激，从而可以精准调控（激活或抑制）这些神经元的放电。所以，光遗传调控有一个前提条件，即光刺激只会激活或抑制这些表达了光敏蛋白的神经元，而不会影响其他神经元。近期，来自美国的研究团队在《Nature neuroscience》发表题目为《Thermal constraints on in vivo optogenetic manipulations》的研究文章，称光刺激会不可避免地对脑组织进行加热，研究中常用的光遗传调控光照强度会引起局部脑组织0.2-2摄氏度的升温，这种光热效应会抑制神经元的放电。因此，在光遗传调控研究中，需要谨慎选择光刺激参数，并且在解释实验结果时需要考虑光热效应对神经元放电影响这个因素。这里，小编只对这篇文章的内容做一个简单的介绍，对于开展光遗传研究的朋友，可以下载原文进行详细的研究。

主要实验结果

1. 光热效应抑制神经元的放电。图1a展示的是在小鼠脑内植入光纤和神经元放电记录电极，图1b展示的是记录神经元放电所用的硅基电极。注意，图1中的研究，没有在神经元中表达光敏蛋白。

图1f和1g的实验结果表明，当打开15 mW强度的光刺激时，神经元的放电频率降低；图1g中的黑色线、绿色线分别表示未打开和打开光刺激神经元放电频率。图1h表示，光刺激过程中神经元的放电频率比刺激前、后都要显著降低，这说明，光热效应会显著抑制神经元的放电。而图1i、j、k和i表明，这种光热抑制效应会在脑内多种神经元上表现出来。

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1. 膜片钳实验表明，光热效应引起神经元钾离子通道的激活，进而引起膜电流的外流，最终抑制神经元的放电。为了进一步研究光热效应为何会抑制神经元的放电，研究者利用膜片钳技术（图2a、d）作了深入研究，发现光刺激期间神经元膜电流外流显著增加（图2e、f、g）；当对光照引起的温度上升进行冷却时（图2h），这种外流的膜电流会降低（图2i、j），而且外流的膜电流与脑组织的温度成正比（图2k）。

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参考文献：

[1] Thermal constraints on in vivo optogenetic manipulations. Nature Neuroscience. volume 22, pages 1061–1065 (2019)

[2] 本文图片均来自参考文献[1]

总结

总之，本研究表明，光刺激会不可避免地对脑组织进行加热，研究中常用的光遗传调控光照强度会引起局部脑组织0.2-2摄氏度的升温，这种光热效应会抑制神经元的放电。本研究的实际意义在于，我们在进行光遗传研究时，特别是在对光遗传研究结果进行解释时，必须要考虑光热效应对神经元放电影响这个因素。