徐敬楊

摘 要|光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)均為人工調(diào)節(jié)神經(jīng)元活性的相關(guān)技術(shù)，分別興起于 21 世紀(jì)初和 20 世紀(jì) 90 年代。這兩項(xiàng)技術(shù)的主要路線相似，通過遺傳學(xué)手段使目標(biāo)

腦區(qū)的神經(jīng)元表達(dá)出光敏離子通道蛋白或者人工受體蛋白，再利用外加刺激影響重組通道蛋白的活性，從而改變神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏漠a(chǎn)生與抑制，最后觀察動(dòng)物行為的變化，討論動(dòng)物行為的變化和腦區(qū)神經(jīng)元活性的關(guān)系，換言之，技術(shù)目的為分析心理或行為的腦內(nèi)機(jī)制。該類技術(shù)的使用往往還需要依靠其他生物學(xué)工具，如使腦內(nèi)神經(jīng)元表達(dá)出外源光敏離子通道蛋白或者人工受體蛋白所需的重組腺相關(guān)病毒，以及 Cre 鼠相關(guān)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)等。此外，光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)在行為神經(jīng)科學(xué)中備受青睞，但應(yīng)用范圍不僅僅局限于此，它們還可以應(yīng)用于胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)到、疾病研究或者藥物設(shè)計(jì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。雖然該技術(shù)仍存在些許不足，但總體瑕不掩瑜，未來在行為神經(jīng)科學(xué)研究和神經(jīng)及精神領(lǐng)域疾病的治療中具有可觀的潛力。

關(guān)鍵詞|光遺傳學(xué);化學(xué)遺傳學(xué);重組腺相關(guān)病毒;轉(zhuǎn)基因小鼠;基本原理;技術(shù)路線

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1?????? 光遺傳與化學(xué)遺傳概述

1.1?? 光遺傳學(xué)的發(fā)明和基本原理

光遺傳學(xué)的概念于 2006 年首次被斯坦福大學(xué)的卡爾·迪賽羅斯（Karl Deisseroth）提出，他與麻省理工學(xué)院的愛德華·博伊登于 2004 年 8 月獲得了該技術(shù)實(shí)驗(yàn)的成功，自此兩人共同開創(chuàng)了光遺傳學(xué)的時(shí)代[1]。

光遺傳學(xué)是以 DNA 重組為代表的遺傳學(xué)與光學(xué)相結(jié)合的一種細(xì)胞生物學(xué)研究技術(shù)方法，通常利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)或者病毒侵染使受體細(xì)胞在細(xì)胞膜上表達(dá)出光敏通道蛋白，如視紫紅質(zhì)通道蛋白 2（channel rhodopsin-2，ChR2）和嗜鹽菌視紫紅質(zhì)（halorhodopsin，HR）等視蛋白。如圖1 所示，這些特殊的通道蛋白活性可以被特定波長的光調(diào)節(jié)，進(jìn)而定向激活神經(jīng)元膜電位的去極化或者超極化， 如前述的 ChR2 和 NpHR 光敏通道蛋白可分別由藍(lán)色或者黃色的光進(jìn)行調(diào)節(jié)，不同通道蛋白不僅需要特定波長的光，在接受光刺激后也會(huì)存在不同離子向不同方向的流動(dòng)，例如 HR 接受黃光刺激后會(huì)出現(xiàn)氯離子內(nèi)流從而產(chǎn)生膜電位超極化的結(jié)果，而 ChR 接受藍(lán)光刺激后會(huì)出現(xiàn)鈉離子、鉀離子和氫離子的內(nèi)流從而產(chǎn)生膜電位去極化的結(jié)果[2]。這一技術(shù)的優(yōu)越性在于優(yōu)秀的特異性，可以特異性地針對(duì)某一類細(xì)胞，即帶有特定光敏離子通道的神經(jīng)元[3]。該技術(shù)被 Nature Method 評(píng)為 2010 年的“年度技術(shù)”，它行為神經(jīng)科學(xué)研究和神經(jīng)及精神領(lǐng)域疾病的治療提供了更多的可能[4]。

1.2?? 化學(xué)遺傳學(xué)的背景和基本原理

相比之下，化學(xué)遺傳學(xué)的研究要早于光遺傳學(xué)，它在 20 世紀(jì) 90 年代中期就已經(jīng)興起，是一種小分子化合物和基因編輯融合的新興技術(shù)，利用遺傳學(xué)方法改造的內(nèi)源性受體蛋白使其能夠被特定小分子藥物調(diào)節(jié)[6]，因此受體蛋白的活性變得可以人為控制，換言之，這也意味著受體蛋白所在的神經(jīng)細(xì)胞的活性也可以控制。

在該技術(shù)中， 只由特定藥物激活的受體（designer receptor sexclusively activated by designer drugs，DREADDs）是使用最為廣泛的一種，這是一類只由氯氮平 -N- 氧化物（Clozapine-N-oxide，CNO） 激活的受體， 其中，Gq- DREADD 和 Gi-DREADD 是使用最多的兩種人工受體。Gq-DREADD 又稱為hM3Dq，這是一種從人毒蕈堿乙酰膽堿受體 M3（hM3D）改造的僅對(duì) CNO 有反應(yīng)的人工受體，當(dāng) CNO 和 hM3D 結(jié)合后，可打開神經(jīng)元的外向鉀離子通道， 使該神經(jīng)元去極化，從而形成動(dòng)作電位;Gi-DREADD 又稱為 hM4Di，這是一種從人毒蕈堿乙酰膽堿受體M4（hM4D）改造的僅對(duì) CNO 有反應(yīng)的人工受體， 當(dāng) CNO 和 hM4D 結(jié)合后，可打開神經(jīng)元的內(nèi)向鉀離子通道，使該神經(jīng)元超極化從而抑制動(dòng)作電位的產(chǎn)生[5，7，8]，如圖2 所示。

此外，化學(xué)遺傳學(xué)也為藥物篩選與開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)用小分子藥物或能稱為治療疾病靶點(diǎn)的潛在藥物[9]?；瘜W(xué)遺傳學(xué)和光遺傳學(xué)類似，人工改造后的受體蛋白在神經(jīng)元中的表達(dá)可通過rAAV 轉(zhuǎn)染細(xì)胞實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)優(yōu)越性在于調(diào)節(jié)是可逆的，通過目標(biāo)腦區(qū)給藥、腹腔注射或者口服特定藥物實(shí)現(xiàn)即可受體蛋白的人工調(diào)節(jié)[5]，待藥物被全部代謝后，對(duì)受體蛋白的調(diào)節(jié)作用則會(huì)消失。

2?????? 腺相關(guān)病毒在光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)中的應(yīng)用

腺相關(guān)病毒（AAV）是一種無被膜且無法自主復(fù)制的二十面體微小病毒， 遺傳物質(zhì)為單鏈線性 DNA。重組腺相關(guān)病毒載體（rAAV）常用于基因編輯中，它的優(yōu)勢在于廣泛的宿主細(xì)胞、免疫原性低、體內(nèi)表達(dá)時(shí)間長等。在光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)中，利用腦立體定位注射的方法將 rAAV 注射入目標(biāo)腦區(qū)，rAAV可通過膜受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入并侵染神經(jīng)元，病毒經(jīng)核孔再進(jìn)入細(xì)胞核后在核內(nèi)裂解，裸露的重組單鏈 DNA 逆轉(zhuǎn)錄形成雙鏈 DNA，最終在胞內(nèi)表達(dá)出重組蛋白，即光敏離子通道蛋白或目標(biāo)人工受體[10]，如圖3 所示。事實(shí)上， rAAV 中往往不止整合入了光敏離子通道蛋白的編碼基因，還有上游的特異啟動(dòng)子和下游的熒光標(biāo)簽蛋白的編碼基因，如紅色熒光蛋白（RFP）或綠色熒光蛋白

（GFP）等。啟動(dòng)子因 rAAV 侵染組織或下游功能基因的不同而不同，下游熒光蛋白的意義在于證明光敏離子通道蛋白的存在，光遺傳學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可通過腦切片中有無熒光信號(hào)來證實(shí)。

rAAV 根據(jù)可侵染組織的不同被分為很多種，可被神經(jīng)系統(tǒng)中的細(xì)胞膜受體識(shí)別的 rAAV 有 rAAV2/1、rAAV2/2、rAAV2/4、rAAV2/5 等多種重組腺病毒，其中 rAAV2/1 在高滴度時(shí)可憑借囊泡順向跨突觸。還有其他親和肝臟、胰臟或肌肉等組織的 rAAV[10]，如圖4 所示。

3?????? 光遺傳學(xué)的技術(shù)路線

如圖5 所示，該技術(shù)從重組腺病毒的獲得到數(shù)據(jù)分析的全程技術(shù)操作可分成三大板塊，即光感基因病毒載體技術(shù)、光 / 神經(jīng)界面技術(shù)以及光電極陣列技術(shù)（若選用轉(zhuǎn)基因小鼠則可進(jìn)行第二板塊的操作）。

3.1?? 光感基因病毒載體技術(shù)

按第一部分所述的光遺傳學(xué)原理，激光只能調(diào)節(jié)成功表達(dá)出光敏離子通道蛋白的神經(jīng)元，因此，使神經(jīng)元帶上光敏離子通道蛋白是光遺傳學(xué)的基本。rAAV 轉(zhuǎn)染法中，重組病毒的構(gòu)建采用的是將重組 DNA 鏈直接導(dǎo)入病毒蛋白衣殼的方法，這一步可以不自行操作，重組腺病毒直接購買比較容易，實(shí)驗(yàn)室中需要做的是將重組腺病毒注射入目標(biāo)腦區(qū)，常采用的是腦立體定位注射技術(shù)， 一段時(shí)間后病毒表達(dá)完成，此時(shí)方可繼續(xù)開展后續(xù)的實(shí)驗(yàn)步驟。這一板塊除了為光遺傳學(xué)技術(shù)的開展奠定必要基礎(chǔ)之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)光遺傳學(xué)中優(yōu)秀的特異性，即神經(jīng)細(xì)胞的選擇性。

3.2?? 光 / 神經(jīng)界面技術(shù)

完成光敏離子通道蛋白特異性表達(dá)后可以向目標(biāo)腦區(qū)中埋入光纖，并用特定顏色的激光刺激目標(biāo)腦區(qū)中的神經(jīng)元，如藍(lán)光可使 ChR 打開，鈉離子向神經(jīng)元內(nèi)流動(dòng)，最終產(chǎn)生了去極化的結(jié)果。這一板塊可實(shí)現(xiàn)信息的寫入。

3.3?? 光電極陣列技術(shù)

光遺傳學(xué)直接的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為一系列的神經(jīng)元膜電位和被試動(dòng)物行為的變化， 在生理心理學(xué)中，光遺傳學(xué)用于分析心理或行為的腦內(nèi)機(jī)制，常用的模式即為 探究目標(biāo)腦區(qū)神經(jīng)元的激活或抑制和特定行為的聯(lián)系，例如利用藍(lán)光激活右側(cè) 次級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M2）中表達(dá)了ChR 的神經(jīng)元后，小鼠會(huì)產(chǎn)生持續(xù)轉(zhuǎn)圈的行為特征， 當(dāng)激光關(guān)閉時(shí)小鼠自發(fā)活動(dòng)方向恢復(fù)正常。這一板塊實(shí)現(xiàn)了光遺傳學(xué)結(jié)果的信 息讀取[11]，如圖5 所示。

4?????? 化學(xué)遺傳學(xué)的技術(shù)路線

化學(xué)遺傳學(xué)的技術(shù)路線和光遺傳學(xué)相似，從病毒轉(zhuǎn)染到記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致也分為三個(gè)板塊，即人工受體蛋白表達(dá)、給予 CNO 和結(jié)果記錄。

4.1?? 人工受體蛋白表達(dá)

鑒于 DREADDs 的種類繁多，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x取合適的人工受體十分重要， 和光遺傳學(xué)相同，可采用重組腺相關(guān)病毒注射的方法或直接使用轉(zhuǎn)基因小鼠模 型使神經(jīng)元表達(dá)出人工受體蛋白。當(dāng)采用病毒注射的方法時(shí)，所用 rAAV 中同樣帶有特異的啟動(dòng)子、人工受體蛋白編碼基因以及熒光蛋白編碼基因等，若重組 載體需為 Cre 依賴的 DIO 系統(tǒng)，人工受體蛋白編碼基因與啟動(dòng)子方向相反且兩端還需要帶有 loxp 位點(diǎn)。設(shè)計(jì)好的 rAAV 通過腦立體定位注射的方式進(jìn)入目標(biāo)腦區(qū)，侵染細(xì)胞，以前述方式使目標(biāo)腦區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞表達(dá)出特定的人工受體蛋白。

4.2?? 給予 CNO

在特定時(shí)間通過腹腔注射、目標(biāo)腦區(qū)直接給藥或者口服給予小鼠小分子藥物 CNO，激活或抑制目標(biāo)腦區(qū)中表達(dá)的人工受體蛋白，從而達(dá)成調(diào)節(jié)目標(biāo)腦區(qū)中神經(jīng)元活性的目的。

4.3?? 記錄膜電位及行為變化[11]

同樣的，化學(xué)遺傳學(xué)也被用于分析心理或行為的腦內(nèi)機(jī)制，在小分子藥物藥效時(shí)間內(nèi)，觀察并記錄目標(biāo)腦區(qū)中神經(jīng)元的膜電位以及動(dòng)物特定行為的變化， 即可證明該腦區(qū)中神經(jīng)細(xì)胞活性的變化和動(dòng)物行為的聯(lián)系，如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取腦切片，觀察目標(biāo)腦區(qū)中是否存在熒光信號(hào)，可進(jìn)一步證明實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

5?????? 轉(zhuǎn)基因小鼠的應(yīng)用

5.1?? Cre-LoxP 系統(tǒng)的基本原理

Cre-LoxP 是一種常用于基因工程的技術(shù)，如圖7 所示，其中的 Cre 指環(huán)化重組酶，它是一種具有核酸內(nèi)切酶活性的蛋白質(zhì)，能夠特異性識(shí)別 LoxP 位點(diǎn)并且在該位點(diǎn)處切斷 DNA 鏈，最終使 DNA 鏈發(fā)生重組，可能造成 DNA 片段缺失、插入、易位、翻轉(zhuǎn)等結(jié)果。Cre 酶的編碼基因可由任何一種啟動(dòng)子調(diào)控，使用不同的啟動(dòng)子可以實(shí)現(xiàn) Cre 酶在特定器官、組織或細(xì)胞中表達(dá)，這一點(diǎn)也是該系統(tǒng)在應(yīng)用過程很重要的特點(diǎn)。LoxP 指一段特殊的 DNA 序列，每一個(gè) LoxP 位點(diǎn)由兩個(gè) 13bp 反向重復(fù)序列和中間間隔的 8bp 序列組成，應(yīng)用于基因編輯的LoxP 位點(diǎn)在目標(biāo)基因的 5 和 3 兩端各存在一個(gè)。其中 8bp 的中間間隔序列決定了 LoxP 位點(diǎn)的方向性，13bp 的反向重復(fù)序列是 Cre 酶的結(jié)合位點(diǎn)[12，13]。

DNA 重組結(jié)果的不同是由兩端 LoxP 方向的不同所造成的，當(dāng)某基因兩端的LoxP 方向相同時(shí)，會(huì)造成該基因的翻轉(zhuǎn);當(dāng)某基因兩端的 LoxP 方向相反時(shí)，則會(huì)造成該基因的敲除缺失;當(dāng)兩組 LoxP 位點(diǎn)分別位于兩條染色體上時(shí)，會(huì)造成DNA 序列的易位。

5.2?? 化學(xué)遺傳學(xué)中的 Cre-LoxP

如前文所述，在神經(jīng)元的遺傳改造中，除了單一 rAAV 轉(zhuǎn)染的方法以外也可以由轉(zhuǎn)基因小鼠的參與，而在光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳中更多需要的是基因敲入或者條件性基因表達(dá)，Cre-LoxP 或者 Cre-FloxP 基因編輯系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)條件性表達(dá)，Cre 工具鼠在這兩項(xiàng)技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛。

根據(jù)雙元轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)理論，目標(biāo)基因兩端帶有 LoxP 序列的動(dòng)物和帶有 Cre 重組酶編碼基因的動(dòng)物雜交后代會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)基因兩端帶有 LoxP 同時(shí)又能夠表達(dá)Cre 重組酶的個(gè)體[12]。據(jù)前文所述，Cre 重組酶編碼基因上游的啟動(dòng)子可以決定蛋白表達(dá)的組織特異性，則可在制作 Cre 工具鼠時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃瑁x取能夠在腦組織中特異啟動(dòng)的啟動(dòng)子。如 4.1 中所述，目標(biāo)腦區(qū)的病毒注射可以得到帶有反向目標(biāo)蛋白編碼基因的親本動(dòng)物，當(dāng)它與經(jīng)基因編輯得到的 Cre 工具鼠雜交時(shí)，即可得到能夠?qū)⑷斯な荏w蛋白編碼基因翻轉(zhuǎn)回正向的子代個(gè)體，進(jìn)而該個(gè)體能夠表達(dá)出目標(biāo)蛋白。

6?????? 以光遺傳學(xué)或化學(xué)遺傳學(xué)為研究手段的實(shí)例

6.1?? 光遺傳學(xué)相關(guān)研究

2020 年的一項(xiàng)研究利用光遺傳學(xué)的方法證明了中腦腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA） 中的 GABA 能神經(jīng)元參與調(diào)控了小鼠的捕獵行為。作者首先監(jiān)測了在小鼠捕食蟋蟀時(shí) VTA 腦區(qū)內(nèi) GABA 能神經(jīng)元活性的變化，其次利用光遺傳學(xué)的方法人工激活了該神經(jīng)元并觀察行為變化。研究者選用了 AAV-VGAT-Cre 和 AAV- hEF1α-DIO-ChR2-mCherry 兩種重組腺相關(guān)病毒，利用腦立體定位注射將病毒打入了小鼠的 VTA 腦區(qū)中。根據(jù)前述 Cre-LoxP 系統(tǒng)的基本機(jī)理，在 VTA 中被兩種病毒侵染的 GABA 能神經(jīng)元內(nèi)，Cre 酶表達(dá)進(jìn)而翻轉(zhuǎn) rAAV 中 ChR2 的編碼基因，進(jìn)而使這一光敏離子通道蛋白能夠表達(dá)并出現(xiàn)在細(xì)胞膜上。病毒充分表 達(dá)一段時(shí)間后，開始進(jìn)行小鼠捕獵相關(guān)的行為實(shí)驗(yàn)，即使用波長為 473nm 的藍(lán)光刺激 VTA 腦區(qū)，觀察光刺激開啟和關(guān)閉時(shí)小鼠行為的變化。行為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后， 進(jìn)行取腦、切片及 c-Fos 蛋白免疫熒光染色，觀察 c-Fos 表達(dá)情況。最后用前述光遺傳學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法探究 VTA 到外側(cè)下丘腦（LH）之間的 GABA 神經(jīng)環(huán)路與捕獵行為的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，小鼠在捕獵行為中 VTA 內(nèi) GABA 能神經(jīng)元的活性確有提高，并且人為激活該神經(jīng)元能夠觸發(fā)動(dòng)物的捕獵行為，在行為實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為捕獵潛伏期縮短，主動(dòng)覓食和攻擊的概率增加，持續(xù)啃咬飼料的時(shí)間延長等。另外 VTA 內(nèi)的 c-Fos 蛋白量存在明顯升高，當(dāng)特異性激活 VTA 和 LH 之間的 GABA 能神經(jīng)環(huán)路時(shí)，能夠促使小鼠捕獵行為的發(fā)生[14]。

6.2?? 化學(xué)遺傳學(xué)相關(guān)研究

2019 年一項(xiàng)研究利用化學(xué)遺傳學(xué)的方法研究了基底前腦—海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路對(duì)阿爾茲海默癥早期認(rèn)知功能障礙的影響。該研究首先分析了阿爾茲海默癥模型小鼠在行為和代謝的異常所在，指出了基底前腦和海馬內(nèi)存在 Aβ 斑塊的沉積。接下來分析了人工激活基底前腦—海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路后小鼠行為的變化，利用腦立體定位注射向基底前腦注射了 rAAV-ChAT-Cre-2a-EGFP- WPRE-pA 和 rAAV-efla-Dio-hM3Dq-mCherry-WPRE-pA 兩種重組腺相關(guān)病毒， 則在被兩種病毒侵染的神經(jīng)元內(nèi)存在人工受體蛋白 hM3Dq 的表達(dá)，一段時(shí)間后通過腹腔注射給予 CNO 來激活神經(jīng)環(huán)路，同時(shí)設(shè)置生理鹽水注射組平行對(duì)照， 而后同樣開展行為和代謝情況的檢驗(yàn)。最后通過激光共聚焦掃描成像技術(shù)再進(jìn)一步明確 hM3Dq 在神經(jīng)元上的表達(dá)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，人工激活基底前腦—海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路后小鼠體現(xiàn)出了學(xué)習(xí)記憶行為得到恢復(fù)，且基底前腦內(nèi)的膽堿（Cho）和海馬內(nèi) N- 乙酰天門冬氨酸（NAA）的含量出現(xiàn)上升，同時(shí)也證實(shí)了神經(jīng)元膜上存在人工受體蛋白 hM3Dq?？傊?，該研究通過化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)成功揭示了調(diào)控基底前腦—海馬膽堿能神經(jīng)環(huán)路能夠提升基底前腦中 Cho 和海馬中NAA 的含量，進(jìn)而改善阿爾茲海默癥模型小鼠的認(rèn)知學(xué)習(xí)能力[15]。

7?????? 總結(jié)

光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)為神經(jīng)科學(xué)和生理心理學(xué)等研究提供了更多可能，這兩項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)元激活與抑制的人為控制，為探究腦區(qū)功能奠定了有力的基礎(chǔ)。對(duì)于光遺傳學(xué)來說，該技術(shù)操作相對(duì)簡單易行也頗具靈活性，除了前述神經(jīng)科學(xué)和生理心理學(xué)研究之外，它還能夠應(yīng)用于疾病的病理分析和治療。一方 面，對(duì)于化學(xué)遺傳學(xué)來說，它的應(yīng)用范圍非常廣泛。不僅僅局限于神經(jīng)科學(xué)或 生理心理學(xué)的研究，還可以參與到酶活性研究、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分析、基因轉(zhuǎn)錄、疾病研究乃至藥物設(shè)計(jì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。另一方面，光遺傳學(xué)技術(shù)雖然潛力可觀， 但是它仍存在一定的局限性。其一是持續(xù)激光刺激的時(shí)間不宜過長，由于光的 產(chǎn)熱效應(yīng)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，所以最多不可超過十分鐘;其二是可應(yīng)用光遺傳 學(xué)的行為實(shí)驗(yàn)有限，由于光纖的存在，只有如礦場等無障礙地行為實(shí)驗(yàn)才可使用， 相反，如穿梭箱一類存在障礙物的則無法開展。

技術(shù)的局限性并不能抹殺它們可觀的潛力，我們?nèi)云诖磥砉膺z傳學(xué)和 化學(xué)遺傳學(xué)在行為神經(jīng)科學(xué)研究和神經(jīng)及精神領(lǐng)域疾病的治療中貢獻(xiàn)更多力量。

參考文獻(xiàn)

[1]魏夢霞.運(yùn)用光遺傳和神經(jīng)環(huán)路示蹤技術(shù)研究前庭神經(jīng)核的功能[D]. 北京：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院），2021.

[2]蔡俊斌.基于光遺傳技術(shù)的腳橋被蓋核神經(jīng)調(diào)控對(duì)帕金森病大鼠模型運(yùn)動(dòng)行為的影響[D].廣州：南方醫(yī)科大學(xué)，2019.

[3]何肖君.基于IHI理論探討光遺傳調(diào)控CC-Parv GABA環(huán)路改善缺血性腦卒中大鼠運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)驗(yàn)研究[D].福州：福建中醫(yī)藥大學(xué)，2021.

[4]劉備.基于光遺傳學(xué)方法的癲癇疾病的閉環(huán)控制研究[D].天津：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2016.

[5]汪濤，董鈺婷，李熳，等.光遺傳和化學(xué)遺傳在中醫(yī)藥腦科學(xué)研究中的應(yīng)用[J].世界中醫(yī)藥，2020，15（11）：1535-1539，1545.

[6]Urban D J，Roth B L.DREADDs（designer receptors exclusively activated by designer drugs）：chemogenetic tools with therapeutic utility[J].Annu Rev Pharmacol Toxicol，2015（55）：399-417.

[7]陳洪年，王亮.化學(xué)遺傳和光遺傳癲癇發(fā)作模型研究進(jìn)展[J].癲癇雜 志，2021，7（3）：262-264.

[8]凌文遠(yuǎn).化學(xué)遺傳學(xué)靶向激活運(yùn)動(dòng)皮層谷氨酸能神經(jīng)元對(duì)腦出血小鼠運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能的影響及機(jī)制研究[D].石家莊：河北醫(yī)科大學(xué)，2020.

[9]熊娟.化學(xué)遺傳學(xué)方法尋找新的抗真菌中藥化合物及其作用機(jī)制研究

[D].福州：福建中醫(yī)藥大學(xué)，2012.

[ 10]殷子斐.中藥單體和載體自身優(yōu)化提高重組腺相關(guān)病毒的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率

[D].上海：第二軍醫(yī)大學(xué)，2015.

[11]王正文，陳京.光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)在抑郁癥研究中的應(yīng)用[J].濟(jì) 寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，40（5）：366-371.

[12]張楊，賈林濤，閆雨冬，等.Cre-loxP系統(tǒng)及其衍生系統(tǒng)方法學(xué)的研究和 在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用[J].藥學(xué)學(xué)報(bào)，2020，55（9）：2035-2042.

[13]孔梓宇，柳毅，汪暉.Cre-LoxP條件性基因敲除的實(shí)際應(yīng)用策略[EB/ OL].[2022-07-06].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileNam e=SWHZ20220421000&DbName=DKFX2022.

[14]盧一平.腹側(cè)被蓋區(qū)GABA能神經(jīng)元介導(dǎo)小鼠捕獵行為[D].福州：福 建醫(yī)科大學(xué)，2020.

[15]李建鴻.基于MRS探討化學(xué)遺傳技術(shù)調(diào)控基底前腦—海馬膽堿能環(huán)路改 善AD模型小鼠早期認(rèn)知功能的機(jī)制[D].福州：福建中醫(yī)藥大學(xué)， 2019.

Technical Basis of Optogenetics and Chemical Genetics， and the Application of Transgenic Mice

Xu Jingyang

Southwest university， Chong Qing

Abstract： Both photogenetics and chemical genetics are the techniques for

artificially regulating the activity of neurons. They emerged at the beginning of this century and the 1990s respectively. The main routes of the two technologies are similar. It is through genetic that lead neurons in the target brain region express photosensitive ion channel proteins or artificial receptor proteins. Then the activity of recombinant channel protein was affected by external stimulation. So as to change the generation and inhibition of neuronal action potential. Finally， the changes of animal behavior were observed， and the relationship between the changes of animal behavior and the activity of neurons in the brain was discussed. In other words， the purpose of technology is to analyze the brain mechanism of psychology or behavior. The use of this kind of technology often depends on other biological tools， such as the recombinant adeno-associated virus needed to make brain neurons express exogenous photosensitive ion channel protein or artificial receptor protein， and the transgenic technology related to Cre mice. In addition， photogenetics and chemical genetics are very popular in behavioral neuroscience， but their applications are not limited to this. They can also be used in many fields such as intracellular signal transduction， disease research or drug design. Although there are still some shortcomings in this technology， there are also advantages cannot be covered up. It has considerable potential in the research of behavioral neuroscience and the treatment of neurological and mental diseases in the future.

Key words： Photogenetics; Chemical genetics; Recombinant adeno-associated virus; Transgenic mice; Basic principle; Technical route