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复旦大学多学科交叉团队合作在无线光遗传调控三类神经元方面取得重要进展

  光遗传技术是解析不同脑区、不同类型神经元功能的重要手段。由于可见光对颅骨、脑组织等的穿透能力较弱,在实验中往往需要向大脑中植入光纤给光,具有侵入性。复旦大学脑科学研究院、医学神经生物学国家重点实验室、脑科学前沿中心张嘉漪研究员团队与复旦大学化学系张凡教授团队开展合作,基于近红外光对生物组织穿透能力强和抗光漂白的特性,研发了一种三色上转换(upconversion)纳米材料,该材料具备将808 nm、980 nm和1532 nm三种不同波长的近红外光转变为540 nm(绿)、450 nm(蓝)和650 nm(红)三种可见光的特性,与传统单色上转换材料相比,三色上转换材料的光谱线宽更小,有利于实现更精准的调控。团队在PV-Cre:SOM-flp转基因小鼠皮层的PV、SOM和CaMKII三种不同类型神经元中分别表达由红、绿、蓝光激活的三种光遗传蛋白,并将该纳米材料注射到小鼠皮层,在小鼠颅骨完整的情况下,用三种近红外光分别激活三种神经元,在虚拟现实系统中,成功地经颅选择性调控活体小鼠的运动速度。

  2021年9月27日,相关研究成果以《通过三色上转换对多个神经元集群进行近红外调控》(“Near-infrared manipulation of multiple neuronal populations via trichromatic upconversion”)为题,在线发表于《自然· 通讯》(Nature Communications)( Nat. Comm., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-25993-7)。该技术实现了非侵入式无线光遗传调控,有望被用于解析包含多种类型神经元的神经环路功能,并具有临床应用的潜力。

  张凡、张嘉漪和李晓民为该论文的共同通讯作者,复旦大学脑科学研究院硕士生陈鹤鸣、直博生王依婷为论文的共同第一作者,博士生姒越光参与了该工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、教育部、上海市科委以及张江实验室的支持。

图注:三色上转换纳米材料将近红外光上转换为三种可见光,对小鼠进行光遗传调控。


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