光遗传学

作为一种新的方法，光遗传学开启了更深入理解人类大脑工作机理的可能性。

光遗传学实验中真正的挑战是照射所需要的大脑部分，且保证大脑不要被过度照射，这使得光源的选择尤其关键。

何为光遗传学？ 

光遗传学（optogenetics）是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。  其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因（如ChR2，eBR，NaHR3.0，Arch或OptoXR等）转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性，从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化，达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。

光遗传学技术给神经学带来了一场革命。现在，这一技术已经迅速成为了许多实验室里的标准工具。越来越多的人相信，光遗传学技术不仅可以阐明疾病机理，还能够治疗多种人类疾病（比如与视网膜有关的疾病）。

光遗传学中试验中操作活体动物的光源是几乎全是激光。由于激光是平行的光束，具有非常低的发散，可以有效耦合到光纤之中。光遗传学试验中的激光选择相当微妙，有几个参数必须谨慎考虑。

首先，选择合适的视蛋白之后，必须选择和视蛋白的灵敏度相匹配的输出波长激光。目前，最常用的波长为473，532，561，594和638纳米。

第 二，激光功率必须大到能够成功的激活视蛋白。因此，激光功率必须考虑到光纤传输中的种种损耗。功率也必须是可调的，因为实验所需的光强随着在不同动物体内程度的视蛋白表达程度的不同相差很大。可调功率也是避免过度曝光造成组织损伤的需要。典型的可调节范围应该是从20 mW到额定的最大功率100 mW。

第三个重要的参数是随着时间不变的功率稳定性。因为实验可以运行几个小时，需要排除功率变化对于实验结果的影响。一般而言试验中功率变化必须小于2%。

激光必须是可以调制的。试验中激光所需要的频率取决于光遗传学操作或者复现的生理过程频率；同时也受到视蛋白的动力学性质的影响。在大脑中的某些活动的频率是在秒量级上，而另一些则超过了100 Hz。此外激光脉冲的上升/下降时间短、上升/下降时间在毫秒级、复现性好也很重要。脉冲形状，每个脉冲的顶峰功率一致和脉冲重复性也同样重要。

有许多不同类型的视蛋白，具有不同的反应模式，可以分为两种：用于打开离子通道和细胞活性的视蛋白；和用于关闭细胞活性的视蛋白。一般而言激活细胞活性的视蛋白对于波长为470nm的光敏感；而关闭细胞活性的视蛋白对于波长从550nm到近红外的光敏感。最常用的关闭视蛋白敏感光峰值在590nm处。

试验中真正的挑战是把大脑暴露到光强适合，同时又不会把大脑暴露的过多。这使得对于光遗传学光源的选择必须十分精细。首先激光的波长必须合适，而且功率也必须足够强，而且在一个很宽的范围内可调。由于实验的长度，功率稳定性也是一个很重要的因素。另外一个必备的因素是调制的能力，因为试验中激光的频率会从0改变到200 Hz，而且即使频率很低，激光稳定时间也必须在毫秒量级。在调制过程中的脉冲稳定性也非常重要。

德国Qioptiq提供高速、稳定、高纵横比和调谐能力的473，532，561，594或640 nm激光器。这些激光器都是可以用光纤耦合输出的，具体输出方式包括单光纤激光器或者把多种激光器共同耦合到一根光纤里面。

• 473，532，561，594，638，660nm

• 独特的双模调制

• 高稳定性、低噪声的光源

• 可提供多波长输出

Qioptiq的光遗传学激光解决方案：473nm, 594nm, 532nm, 561nm, 660nm等波长激光及其组合，具备快速、稳定及快上升时间的调制能力，且可以提供稳定的单路或多路光纤传输。