遺傳學(xué)（Optogenetics），即結(jié)合遺傳工程與光來(lái)操作個(gè)別神經(jīng)細(xì)胞的活性，發(fā)現(xiàn)腦部如何產(chǎn)生γ波（gamma oscillations），并為它們?cè)谡{(diào)控腦部功能中的角色提供新證據(jù)，這將有助于發(fā)展一系列腦相關(guān)失調(diào)的新療法。
光遺傳學(xué)融合了光學(xué)及遺傳學(xué)的技術(shù)，控制特定細(xì)胞在空間與時(shí)間上的活動(dòng)。其時(shí)間上程度可達(dá)到厘秒，而空間上則能達(dá)到單一細(xì)胞大小。2010年光遺傳學(xué)被Nature Methods選為年度方法，同年被Science認(rèn)為是近十年來(lái)的突破之一 。
光遺傳學(xué)是由斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)始用于研究小鼠大腦的，他們將這項(xiàng)技術(shù)稱之為Optogenetics（optical stimulation plus genetic engineering 光刺激基因工程/光遺傳學(xué)），這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵是：科學(xué)家們必須事前向小白鼠體內(nèi)注射一種植物基因，這種基因能夠?qū)Σ煌伾獾拇碳ぷ鞒雒舾械姆磻?yīng)，還能通過(guò)自生特性感染類似的細(xì)胞。
使用這些光遺傳學(xué)（optogenetic）工具，能夠激活清醒哺乳動(dòng)物的單一神經(jīng)元，并直接演示神經(jīng)元激活表現(xiàn)出的行為結(jié)果。這一光遺傳學(xué)方法使得研究人員能夠獲得關(guān)于脊髓回路的一些重要信息。這種新技術(shù)可以推廣到所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，比如大腦的嗅覺(jué)，視覺(jué)，觸覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞等。光遺傳學(xué)開(kāi)辟了一個(gè)新的讓人激動(dòng)的研究領(lǐng)域，可以挑選出一種類型的細(xì)胞然后發(fā)現(xiàn)其功能。
當(dāng)然現(xiàn)在說(shuō)用于人體實(shí)驗(yàn)還為時(shí)尚早，但是已經(jīng)有一些研究成果已經(jīng)開(kāi)始逐漸走向臨床應(yīng)用。 比如，斯坦福大學(xué)神經(jīng)病Amit Etkin正在努力促進(jìn)有關(guān)嚙齒類動(dòng)物焦慮癥研究成果的轉(zhuǎn)化，以利用現(xiàn)有工具改善人類相關(guān)疾病的治療。他采用的是經(jīng)顱磁刺激技術(shù)，希望能夠像激活小鼠大腦杏仁核區(qū)域的神經(jīng)回路從而減輕它們的焦慮癥狀那樣來(lái)激活人腦中類似的回路。雖然這種技術(shù)不如光遺傳學(xué)技術(shù)有針對(duì)性，但卻具有非侵入性的優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)論如何，光遺傳學(xué)開(kāi)辟了一個(gè)讓人激動(dòng)的新研究領(lǐng)域，一些研究人員已經(jīng)開(kāi)始設(shè)想，如果能夠克服生物醫(yī)學(xué)的挑戰(zhàn)，確保新基因安全地遞送到人體內(nèi)，基于光遺傳學(xué)的治療方法將直接應(yīng)用于人類。
座落于美國(guó)加州的Mightex公司，于2012年推出了世界上*款令人激動(dòng)的多波長(zhǎng)五維可調(diào)光源，可以用于光遺傳學(xué)領(lǐng)域。
1. In Vivo Optogenetics：對(duì)于活體光遺傳學(xué)來(lái)說(shuō)，光纖耦合的LED光源可以把光導(dǎo)入到特定的神經(jīng)元上去，而不會(huì)對(duì)其他的神經(jīng)元造成干擾。進(jìn)而，多波長(zhǎng)的光纖耦合LED光源可以使得在不改變空間位置的前提下，不同波長(zhǎng)的光通過(guò)同一根光纖耦合導(dǎo)入到神經(jīng)元上，讓科研實(shí)驗(yàn)變得非常的方便。Mightex公司的FCS和WFC系列LED光源正是為此所專門設(shè)計(jì)。
2. In Vitro Optogenetics：對(duì)于體外光遺傳學(xué)來(lái)說(shuō)，為了能夠刺激單個(gè)的神經(jīng)元，因此需要顯微鏡來(lái)達(dá)到一定程度上的空間分辨率，對(duì)于光源來(lái)說(shuō)，需要在顯微鏡的視場(chǎng)中對(duì)不同神經(jīng)元的刺激進(jìn)行的控制。Mightex公司的Polygon400 DSI多波長(zhǎng)五維可調(diào)光源正是為此而設(shè)計(jì)。
Mightex公司的Polygon400光源內(nèi)嵌有非常*的光學(xué)系統(tǒng)，能夠把來(lái)自于LED的光傳遞到DLP平臺(tái)然后又通過(guò)顯微鏡到達(dá)樣品表面，這種系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)可以使得在保持有限衍射圖像性能的前提下達(dá)到zui大的光強(qiáng)度。
同時(shí)，由于Optogenetics對(duì)于時(shí)間性能會(huì)有一定的要求，因此即便在超過(guò)4000fps的刷新率以及快速切換的LED情況下，Ploygon400仍然能夠以微秒的精度來(lái)對(duì)光源進(jìn)行控制；同時(shí)，用戶可以從400-700nm的范圍內(nèi)zui多3個(gè)LED波長(zhǎng)內(nèi)置于光源引擎中。
而以上的種種控制，都可以通過(guò)Ploygon400自帶的軟件很容易的完成并由用戶進(jìn)行為便捷的控制，包含了時(shí)間特性，強(qiáng)度特性，波長(zhǎng)特性，X以及Y軸的移動(dòng)特性。
Polygon400性能規(guī)格
可用的LED波長(zhǎng)和輸出功率
波長(zhǎng)（nm） | 輸出功率（mW） | 靜態(tài)圖像模式 | 脈沖模式 | 400 | TBD | TBD | 470 | 8.0 | 15 | 530 | 2.2 | 4.5 | 590 | 1.5 | 3 | 617 | 7.0 | 14 | 630 | 7.0 | 14 |
|
控制和時(shí)間
參數(shù) | zui小 | zui大 | 單位 |
數(shù)位 | 1 | 8 | Bit |
曝光時(shí)間@1bit | 250 | - | μs |
幀頻@1bit | 4, 000 | - | 1/sec |
曝光時(shí)間@4bit | 1, 600 | - | μs |
幀頻@4bit | 625 | - | 1/sec |
曝光時(shí)間@8bit | 8,333 | - | μs |
幀頻@8bit | 120 | - | 1/sec |
輸入觸發(fā)器 | TTL / BNC |
輸入觸發(fā)延遲 | TBD | TBD | μs |
輸出觸發(fā)器 | TTL / BNC |
輸出觸發(fā)延遲 | TBD | TBD | μs |
如何選擇型號(hào)？
DSI- | x- | xxxx- | xxxx- | xxxx- | xxx |
I-內(nèi)置LED F-光纖或光導(dǎo)輸入 | 波長(zhǎng)1 | 波長(zhǎng)2 | 波長(zhǎng)3 | 內(nèi)部 使用 |
參考型號(hào)價(jià)格
目前，這款Polygon400光源已經(jīng)為數(shù)不少的研究人員購(gòu)買并正在使用。
除了上述提到的Polygon400光源，針對(duì)于光遺傳學(xué)應(yīng)用，Mightex公司還有價(jià)格比較低廉的單波長(zhǎng)與多波長(zhǎng)光纖耦合LED供選擇。
