光敏感离子通道和离子泵的发现为神经科学研究提供了新方法。当神经细胞表达光敏感蛋白，如ChR、Chrimson、NpHR、GtACR等，可见光即可便捷地调控神经元活性，即光遗传技术（Optogenetics）[1,2]。该技术为解析大脑生理/病理功能提供了极大的便利。然而，已知光敏感蛋白激发光谱均位于可见光区段（~400-700 nm）[3]，由于组织对可见光的高吸收和强散射，使得可见光的组织穿透深度非常有限，极大限制了光遗传技术在深部组织非损伤性应用。700-1700 nm的近红外光（NIR）具有较深的组织穿透性，其在深部组织光动力治疗上应用广泛。但目前缺乏NIR敏感蛋白，无法实现NIR光遗传操作。
图1. 镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）
镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）可以将近红外光转换成可见光，逻辑上能间接实现NIR激活光敏蛋白。即NIR激活UNCPs发射窄带可见光（如绿色），可见光激活光敏蛋白实现光遗传操作（图1）。UCNPs具有较大反stokes位移，较好光稳定性等[4]，其优良光学特性能有力保障NIR在光遗传学中的运用，从而解决光遗传学中可见光穿透深度不足、光纤植入带来的不可逆组织损伤等问题，具备广泛应用前景[4, 5]。
图2. UCNP将NIR换成绿光激活Chrimson调控线虫神经元活性与运动
近日，8797威尼斯老品牌高尚邦课题组与8797威尼斯老品牌国家纳米药物工程技术研究中心张燕副教授/杨祥良教授课题组合作，采用一种将低能近红外光（808 nm）转换成高能绿光（~540 nm）的镧系掺杂UCNPs，成功实现了近红外光对秀丽线虫运动神经环路和运动行为光遗传调控（图2）。实验人员将绿光敏感蛋白Chrimson分别表达在了线虫抑制性GABA能运动神经元（D-MNs）和兴奋性谷氨酸能DVC中间神经元上。通过UCNPs介导，在NIR照射下，在体膜片钳技术监测到线虫肌肉细胞动作电位发放频率的相应变化，说明细胞被成功激活并发挥生理功能。为进一步确定NIR刺激效果，合作组观察了NIR引起了线虫运动瘫痪和快速后退行为（图3）。实验最终证明NIR通过UCNPs能有效激活神经环路。
图3. D-运动神经元和DVC中间神经元响应NIR刺激，抑制或激活肌肉动作电位的发放，调控线虫运动速率
研究人员进一步确认合成UCNPs生理上具有低毒无毒特性，长时间喂养合成材料的线虫，其发育快慢、个体大小、神经系统结构、产卵数量以及寿命等都无显著变化。联合NIR照射也不会引起线虫神经元损伤，说明合成材料在生物应用上具有安全保障（图4）。
图4. 在UCNPs和NIR存在的情况下均未导致线虫神经元的损伤
由于近红外光固有的热效应，研究人员还进一步观察并确认了线虫运动行为变化是由UCNPs绿色荧光激活Chrimson神经元引起的，而非神经损伤或热激所致。该研究成果有力拓展了光遗传技术的适用范围，为深部组织（如大脑）光遗传操作开辟了新路径。论文发表在‘美国化学协会’著名期刊ACS Nano [6]。
图5. 高尚邦教授
高尚邦（教授、博导）研究组以秀丽线虫（C. elegans）作为研究对象，研究运动产生、维持和调控的神经环路与分子机制（）。2018年1月，其组在eLife [7]上发表研究论文，利用光遗传、行为分析结合电生理等手段，揭示兴奋性A运动神经元可作为节律振荡器（CPG），驱动后退运动发生。该研究成果为运动神经环路相关疾病的预防和治疗奠定了理论基础。但其中的关键技术------光遗传，在非侵入式研究深部运动调控组织（比如，大脑）存在明显局限。最新研究成果说明，用近红外光替代可见光是解决该问题的可行手段之一。
张燕（副教授、南洋理工大学博士/博士后）长期致力于合成、表征各种高性能生物荧光纳米颗粒，在疾病的纳米诊断、肿瘤免疫微环境与免疫治疗等方面取得突出成果。2017年3月在ACS Nano [8], 2018年7月在ACS Appl Mater Interfaces [9]等发表多篇高水平论文。杨祥良教授是8797威尼斯老品牌国家纳米药物工程技术研究中心主任，国家重大科学研究计划“肝癌治疗的新型纳米药物研究”项目首席科学家，长期致力于纳米药物制剂、纳米生物材料以及纳米诊断试剂的开发与应用，在ACS Nano，Advanced Science, Advanced Functional Materials，Nano Letter，Small 等上发表 SCI 论文 150 余篇。
合作组在阶段性实验结果基础上，正继续合作，针对神经科学领域关键科学问题，深入开发多种光可控材料，解决当前基础理论问题同时，实现后期转化利用。比如，开发脉冲可调制上转换材料，实现频率调控的同一波长NIR激发同一UCNP发射不同颜色可见光，进而操控表达不同光敏蛋白细胞组织，实现双重调控。该合作项目将能拓展神经网络活性的组合调控，简化实验过程，降低组织伤害，提高可能临床应用安全性。
8797威尼斯老品牌高尚邦教授、张燕副教授和杨祥良教授为本论文的共同通讯作者。生科院敖艳肖、曾康华和余彬为文章共同第一作者，8797威尼斯老品牌为第一通讯单位。中国科学院生物物理研究所徐涛教授和薛艳红，加拿大多伦多大学Mei Zhen教授和Wesley Hung，新加坡南洋理工大学Timothy Thatt Yang Tan教授和Zhongzheng Yu，生科院本科生苗昱等参与了该项工作。该成果获得了国家自然科学基金、国家973计划、国际重大仪器专项等资助。
高尚邦课题组热烈欢迎博士、硕士研究生加入实验室，常年招聘博士后，欢迎本科生进实验室学习。
1. Fenno, L.; Yizhar, O.; Deisseroth, K. The Development and Application of Optogenetics. Annu. Rev. Neurosci. 2011, 34, 389−412.
2. Klapoetke, N. C.; Murata, Y.; Kim, S. S.; Pulver, S. R.; Birdsey-Benson, A.; Cho, Y. K.; Morimoto, T. K.; Chuong, A. S.; Carpenter, E. J.; Tian, Z.; Wang, J.; Xie, Y.; Yan, Z.; Zhang, Y.; Chow, B. Y.; Surek, B.; Melkonian, M.; Jayaraman, V.; Constantine-Paton, M.; Wong, G. K.; et al. Independent Optical Excitation of Distinct Neural Populations. Nat. Methods 2014, 11, 338−346.
3. Towne, C.; Thompson, K. Overview on research and clinical applications of optogenetics. Curr. Protoc. Pharmacol. 2016, 75, 11.19.1-11.19.21.
4. Chen, S.; Weitemier, A. Z.; Zeng, X.; He, L.; Wang, X.; Tao, Y.; Huang, A. J. Y.; Hashimotodani, Y.; Kano, M.; Iwasaki, H.; Parajuli, L. K.; Okabe, S.; Teh, D. B. L.; All, A. H.; Tsutsui-Kimura, I.; Tanaka, K. F.; Liu, X.; McHugh, T. J. Near-Infrared Deep Brain Stimulation via Upconversion Nanoparticle-Mediated Optogenetics. Science 2018, 359, 679−684.
5. Bansal, A.; Liu, H.; Jayakumar, M. K.; Andersson-Engels, S.; Zhang, Y. Quasi-Continuous Wave Near-Infrared Excitation of Upconversion Nanoparticles for Optogenetic Manipulation of C. elegans. Small 2016, 12, 1732−1743.
6. Ao, Y.; Zeng, K.; Yu, B.; Miao, Y.; Hung, W.; Yu, Z.; Xue, Y.; Tan, TTY.; Xu, T.; Zhen, M.; Yang, X.; Zhang, Y.; Gao, S. An Upconversion Nanoparticle Enables Near Infrared-Optogenetic Manipulation of the Caenorhabditis elegans Motor Circuit. ACS Nano 2019, doi: 10.1021/acsnano.8b09270
7. Gao, S.; Guan, S. A.; Fouad, A. D.; Meng, J.; Kawano, T.; Huang, Y. C.; Li, Y.; Alcaire, S.; Hung, W.; Lu, Y.; Qi, Y. B.; Jin, Y.; Alkema, M.; Fang-Yen, C.; Zhen, M. Excitatory Motor Neurons Are Local Oscillators for Backward Locomotion. Elife 2018, 7, e29915..
8. Zhang, Y.; Yu, Z.; Li, J.; Ao, Y.; Xue, J.; Zeng, Z.; Yang, X.; Tan, T. T. Ultrasmall-Superbright Neodymium-Upconversion Nanoparticles via Energy Migration Manipulation and Lattice Modification: 808 nm-Activated Drug Release. ACS Nano 2017, 11, 2846–2857.
9. Li J.; Huang J.; Ao Y.; Li S.; Miao Y.; Yu Z.; Zhu L.; Lan X.; Zhu Y.; Zhang Y.; Yang X. Synergizing Upconversion Nanophotosensitizers with Hyperbaric Oxygen to Remodel The Extracellular Matrix for Enhanced Photodynamic Cancer Therapy. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 22985–22996.
文|冯崇宁 编辑|运动功能机制研究课题组
