本文介绍了利用CsChrimson和GtACR2激活和抑制特定神经元的黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)光遗传学操作方法。通过四项实验,应用光遗传学技术研究趋热性和味觉行为,揭示调控这些过程的神经机制。
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本文介绍了利用CsChrimson和GtACR2激活和抑制特定神经元的黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)光遗传学操作方法。通过四项实验,应用光遗传学技术研究趋热性和味觉行为,揭示调控这些过程的神经机制。
光遗传学已成为神经科学中的一项基本技术,能够通过光刺激精确控制神经元活动。本研究介绍了在黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)中易于实施的光遗传学实验装置。研究中使用了两种光遗传学工具:CsChrimson(一种红光激活的阳离子通道)和GtACR2(一种蓝光激活的阴离子通道),并应用于四种实验方法。其中三种方法涉及单只果蝇实验:(1)针对温度敏感性加热细胞的蓝光光遗传热趋向定位偏好实验;(2)激活苦味感知神经元的红光光遗传定位偏好实验;(3)激活甜味感知神经元的喙伸展反应实验。第四种方法(4)是利用多只果蝇进行的果蝇迷宫实验,用于评估回避行为。对神经活动在时间和空间上的操控能力,为理解感觉信息处理和决策过程提供了强有力的手段,凸显了光遗传学在推进神经功能研究方面的潜力。这些方法为未来的神经科学研究提供了可及且可靠的框架,有助于深入理解特定神经通路及其行为结果。
光遗传学已成为神经科学领域中结合光学与遗传学的一项强大技术,通过光刺激实现对神经元活动的精确、非侵入性调控1在 黑腹果蝇 一种广泛使用的模式生物,光遗传学工具可实现对特定神经元的激活与抑制,使研究人员能够调控神经回路。在所使用的工具中,CsChrimson 和 GtACR(Guillardia theta 阴离子通道视紫红质)为神经元靶向提供了互补的方法。CsChrimson通道视紫红质是一种来自绿藻的红光敏感型阳离子通道,在红光照射下可通过去极化实现神经元激活,其峰值激活波长约为590 nm。2. CsChrimson 在组织穿透性方面优于先前的通道视紫红质,并可减少光诱导的行为伪影 果蝇 研究2相比之下,GtACR(包括GtACR2等变体)是一种光控氯离子通道,可通过超极化使神经元沉默。3,4GtACR2 传导阴离子,并可被蓝光激活,其最大激活波长约为 470 nm4CsChrimson 和 GtACR2 可被不同波长的光激活,从而确保对神经元活动进行精确且独立的调控,避免交叉激活5.
Drosophila 因其成本低、易于培养以及对环境刺激(包括趋近和回避行为)具有显著的行为反应,成为神经科学研究中有效的模式生物6。其体型小且体壁半透明,有利于光的穿透,尤其是长波长的红光,从而实现高效的光遗传学操控7,8。尽管 Drosophila 细胞无法合成足够的视黄醛(视蛋白功能所需的关键辅因子),但在其饮食中添加视黄醛可弥补这一缺陷,确保光遗传学工具的有效激活9。
为了探究光遗传学操控的影响 果蝇我们描述了四个针对不同神经回路和行为的实验,每个实验均采用不同的方法来评估回避或趋近反应,实验范围从单只果蝇检测到群体水平的评估。加热细胞(HC)在 果蝇 位于触角芒中的热感受神经元,可响应温度升高10这些神经元表达对热敏感的离子通道,可触发回避行为,引导果蝇远离热源10,11在方法1中,我们采用单只果蝇蓝光光遗传学热趋向定位偏好实验来操控HC神经元。通过在这些神经元中表达GtACR2,蓝光照射可抑制其活性。果蝇被暴露于两种温度选择环境中:25 °C和31 °C。在室光照条件下,果蝇避开31 °C区域,表现出典型的热趋向反应。然而,在蓝光激活GtACR2后,HC神经元被沉默,果蝇不再表现出显著的温度偏好,表明光遗传学抑制成功。除了评估感觉神经元的功能外,在下游感觉神经元中表达GtACR2也可实现类似的光遗传学操控,用于研究特定感觉模式所必需的神经环路5.
果蝇中的味觉受体GR66a在喙末端的下唇须以及腿部表达,介导苦味感知12,13。这些神经元在接触苦味物质时会触发回避行为。在方法2中,我们采用单只果蝇红光光遗传位置偏好实验来操控表达GR66a的神经元。通过在这些神经元中表达CsChrimson,可在红光照射下激活它们。将果蝇置于一个半区透红光、另半区过滤红光的实验区域中。在无红光照射时,果蝇无明显偏好。然而,红光激活CsChrimson后刺激了苦味感知神经元,导致果蝇显著回避被照亮的区域,证实了对GR66a神经元的光遗传学激活成功。类似的方法已被用于鉴定足以引发回避行为的热感应细胞的下游神经环路5。
我们在方法3中重点研究了趋近行为中奖赏性行为的光遗传学激活。表达GR5a的神经元位于喙器和足部的味觉感受器中,能够感知糖类并驱动摄食行为。这些神经元的激活可引发喙伸展反应(proboscis extension response, PER)14。我们采用红光光遗传学喙伸展反应检测法来激活GR5a神经元。通过在这些神经元中表达CsChrimson,利用红光对其进行刺激。果蝇在室内光照条件下不会伸展喙部,但在红光激活CsChrimson后,即使没有甜味刺激,也能引发喙伸展反应,表明GR5a神经元成功实现了光遗传学激活。该方法已被用于研究包括味觉感觉神经元、味觉投射神经元以及喙部运动神经元在内的神经环路15,16。
在方法4中,我们利用红光光遗传果蝇迷宫实验 ,研究了激活GR66a神经元后对果蝇群体回避行为的影响。将果蝇置于两根管子的交汇处:其中一根管子用红光照射,另一根则处于遮蔽状态。GR66a神经元中表达的CsChrimson引发了回避行为。在无红光照射时,果蝇未表现出偏好;而在红光激活条件下,表达GR66a的果蝇会主动避开红光区域,表明该神经通路被成功激活。果蝇迷宫实验已被广泛用于研究多种感觉模态,包括温度、湿度和嗅觉。当与光遗传学技术结合时,该方法在探究趋近性和回避性行为方面具有强大优势17,18,19。
这些方法为研究光遗传学激活与抑制提供了可重复的框架 果蝇 神经环路。通过结合使用不同的通道视紫红质和可及的行为学检测方法,这项概念验证研究展示了光遗传学操控的有效性,提供了直接调控神经环路功能的方法,具有在神经科学研究中广泛应用的潜力。
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1. 菌株、果蝇饲养及果蝇吸取器
2. 单果蝇蓝光光遗传学趋温定位偏好实验

3. 单果蝇红光光遗传学位置偏好实验

4. 红光光遗传学诱导的喙伸展反应
5. 红光光遗传果蝇迷宫实验

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单果蝇蓝光光遗传学趋温位置偏好实验
共测试了四种条件:室内光照且无ATR补充(室内光,ATR -)、室内光照且有ATR补充(室内光,ATR +)、蓝光照射且无ATR补充(蓝光,ATR -)、以及蓝光照射且有ATR补充(蓝光,ATR +)。前三种条件作为对照。在对照实验中,果蝇会避开31 °C一侧。而在蓝光照射并补充ATR的条件下,果蝇对25 °C与31 °C两侧无显著偏好,表明通过激活GtACR2成功抑制了HC神经元(图2A)。
单果蝇红光光遗传学位置偏好实验
测试了四种条件:未补充ATR的室内光照(室内光,ATR -)、补充ATR的室内光照(室内光,ATR +)、未补充ATR的红光照射(红光,ATR -)以及补充ATR的红光照射(红光,ATR +)。前三种条件作为对照。在对照条件下,果蝇未表现出位置偏好,两侧分布相似。在补充ATR并施加红光激活(红光,ATR +)时,果蝇明显避开红光区域,表明苦味感知神经元通过CsChrimson被激活,...
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光遗传学操控通过实现对神经回路的时空精确控制,彻底改变了神经科学领域27神经回路由通过突触相互连接的神经元群体组成,激活后可执行特定功能。 果蝇 全脑连接组已完成,为脑内突触通路提供了全面深入的解析 果蝇 脑28,29尽管连接组能够预测某些行为背后的潜在神经环路机制,但仍需进一步的实验验证。通过结合遗传学工具与行为检测方法,光遗传学操控为探究神经环路在行为功能中的作用提供了强有力的手段。例如,整合 转- 与光遗传学技术结合使用,可激活或沉默下游神经元,使研究人员能够确定单个突触后神经元在行为学上的意义5,30.
本研究建立了简单、易行且可重复的光遗传学实验方案,用于行为学检测 黑腹果蝇通过设计四种靶向不同神经环路的实验方法,我们展示...
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作者声明,本文的发表不存在任何利益冲突。所有作者均已披露任何潜在的利益冲突,并确认他们与本研究所述工作无任何可能产生影响的财务或个人关系。
所有图示的示意图均使用 Biorender.com 制作。本研究由 NIH R01GM140130(https://www.nigms.nih.gov/)资助,受资助者为 L.N.。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决策以及稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
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