張凡團(tuán)隊(duì)報(bào)道三原色正交發(fā)光上轉(zhuǎn)換納米材料用于紅外光激發(fā)下的多重神經(jīng)元集群調(diào)控
在光遺傳學(xué)中使用多色可見光對多個(gè)神經(jīng)元集群進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)對于復(fù)雜的大腦功能和行為的解析。由于可見光對顱骨腦組織的穿透能力較弱，實(shí)驗(yàn)中往往需要植入光纖給光?；诮t外光可激發(fā)的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs），則能夠在深組織穿透下避免光纖植入的侵入性。傳統(tǒng)的單色光UCNPs及其混合材料，在單一波長的紅外光激發(fā)下，具有共生的多重波長發(fā)射，不可避免的導(dǎo)致一種近紅外波長的激發(fā)產(chǎn)生多個(gè)可見區(qū)譜帶的發(fā)射峰，從而由其介導(dǎo)的多色光遺傳學(xué)對多重神經(jīng)元集群進(jìn)行調(diào)控時(shí)會存在干擾，無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。
化學(xué)系張凡教授研究團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦腦科學(xué)研究院的張嘉漪教授合作開發(fā)了發(fā)了激發(fā)波長特異性響應(yīng)的三色發(fā)射上轉(zhuǎn)換納米顆粒。該材料具備將808 nm，980 nm，1532 nm三種近紅外光轉(zhuǎn)化為一一對應(yīng)的540 nm綠色，475 nm藍(lán)色以及651 nm紅色發(fā)射的能力。并且三組激發(fā)-發(fā)射波長互不干擾。由此得到的近紅外上轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，可以對應(yīng)激活ChR2，C1V1，ChrimsonR三種具有藍(lán)、綠、紅波長活性的光遺傳通道蛋白。通過基因編碼與表達(dá)，可以產(chǎn)生對PV，CamKIIα，SOM神經(jīng)元集群的選擇性神經(jīng)信號刺激響應(yīng)。選擇性的刺激方式具有各個(gè)通道的強(qiáng)度獨(dú)立可調(diào)性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以雙通道透顱刺激小鼠的運(yùn)動(dòng)皮層腦區(qū)的方式，實(shí)現(xiàn)了對小鼠的運(yùn)動(dòng)行為的光調(diào)控。這種三色獨(dú)立正交的上轉(zhuǎn)換材料與獨(dú)立刺激神經(jīng)元產(chǎn)生響應(yīng)的方法為神經(jīng)科學(xué)的信號通路研究提供了新的工具，有助于腦科學(xué)種關(guān)于動(dòng)物行為神經(jīng)調(diào)控的研究發(fā)展。該研究成果以“Near-infrared Manipulation of Multiple Neuronal Populations via Trichromatic Upconversion”為題在線發(fā)表于《自然··通訊》 (Nature Communications, 2021, 12:5662)?；瘜W(xué)系博士生劉玄和腦科學(xué)研究院的陳鶴鳴、王依婷三位同學(xué)為共同第一作者。
該工作得到了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市分子催化與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。
圖1. （a）三色正交稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒介導(dǎo)多通道神經(jīng)元獨(dú)立調(diào)控方法示意圖。（b）三色正交稀土納米顆粒與傳統(tǒng)稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒混合物的結(jié)構(gòu)與激發(fā)發(fā)射波長。
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