劉夢(mèng)楠，田蕭羽，2，李奕潼，吳寧，李錦，李紅

（1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所，抗毒藥物與毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，神經(jīng)精神藥理學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100850；2.中國(guó)人民解放軍醫(yī)學(xué)院，北京 100853；3.沈陽(yáng)藥科大學(xué)無(wú)涯創(chuàng)新學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110016）

21世紀(jì)是腦科學(xué)的時(shí)代，腦科學(xué)研究主要是從生物醫(yī)學(xué)角度闡明大腦功能的神經(jīng)基礎(chǔ)和工作原理［1］。抑郁、精神分裂癥和阿爾茨海默病等精神疾病危害人體健康和社會(huì)穩(wěn)定。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，腦疾病患者人數(shù)占比28%，已超越心血管和癌癥患者數(shù)量，給社會(huì)帶來(lái)了巨大負(fù)擔(dān)。了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能是當(dāng)前最前沿的科學(xué)問(wèn)題之一，因此腦科學(xué)研究的戰(zhàn)略地位至關(guān)重要［2］，世界各國(guó)對(duì)腦科學(xué)研究給予高度重視。

大腦是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，過(guò)去對(duì)于大腦的研究聚焦于單個(gè)細(xì)胞或幾個(gè)細(xì)胞組成的簡(jiǎn)單神經(jīng)回路［3］，對(duì)于大批神經(jīng)元是如何動(dòng)態(tài)調(diào)控行為活動(dòng)仍未完全解析。近年來(lái)，腦科學(xué)研究技術(shù)不斷涌現(xiàn)，化學(xué)遺傳、光遺傳等技術(shù)正朝向精準(zhǔn)、瞬時(shí)、非侵入控制神經(jīng)元活動(dòng)的方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了利用磁熱、磁力效應(yīng)控制細(xì)胞功能的磁遺傳技術(shù)，該技術(shù)有望克服化學(xué)遺傳技術(shù)的藥物起效延遲和光遺傳技術(shù)需光纖植入手術(shù)等局限，在新一代的腦科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation，TES）、經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）、深部腦刺激（deep brain stimulation，DBS）和經(jīng)顱超聲刺激（transcranial ultrasound stimulation，TUS）等技術(shù)在腦疾病的功能調(diào)控中也顯示出一定的效果。

1 化學(xué)遺傳技術(shù)

化學(xué)遺傳技術(shù)結(jié)合了化學(xué)方法與遺傳學(xué)原理，將人工設(shè)計(jì)的受體在特定細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，隨后與特異性藥物結(jié)合，從而激活或抑制細(xì)胞活性。

1.1 化學(xué)遺傳受體及配體

化學(xué)遺傳技術(shù)于20世紀(jì)80年代興起，早期的應(yīng)用集中于對(duì)G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCR）的研究。GPCR 是真核生物細(xì)胞膜上最大的一類受體家族，與配體結(jié)合后可激活下游一系列信號(hào)通路，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。1991年，Strader 等［4］設(shè)計(jì)了一種突變型β2腎上腺素能受體，通過(guò)結(jié)合位點(diǎn)上的氨基酸突變改變受體的特異性結(jié)合能力，該受體不能與其相應(yīng)的天然配體腎上腺素結(jié)合，而可被兒茶酚胺酯和酮激活。隨后，Coward等［5］于1998年在合成小分子激活GPCR策略的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了工程化受體，命名為“僅由合成配體激活的受體（receptor activated solely by a synthetic ligand，RASSL）”。他們?cè)讦?阿片受體原型基礎(chǔ)上引入突變，構(gòu)建了2 個(gè)RASSL，這2 個(gè)受體對(duì)天然肽（如強(qiáng)啡肽）不敏感，但可被小分子藥物螺朵林（spiradoline）激活，從而抑制腺苷酸環(huán)化酶的活性［6］（表1）。但RASSL容易與其內(nèi)源性受體競(jìng)爭(zhēng)配體，存在配體和受體的非特異結(jié)合，且異位表達(dá)RASSL 可能會(huì)造成信號(hào)傳導(dǎo)異常。為克服以上問(wèn)題，2007年Armbruster等［7］開(kāi)發(fā)了“由人工設(shè)計(jì)藥物激活的人工設(shè)計(jì)受體（designer receptor exclusively activated by a designer drug，DREARD）”，該受體只能與人工設(shè)計(jì)的藥物結(jié)合，從而控制神經(jīng)元活性，藥物代謝完成后神經(jīng)元恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。在腦科學(xué)研究中最常用的是氯氮平-N-氧化物（clozapine-N-oxide，CNO）-毒蕈堿受體系統(tǒng)［7］（表1）。毒蕈堿受體是一種廣泛存在于動(dòng)物體內(nèi)的GPCR，其天然配體是乙酰膽堿，二者結(jié)合后可引發(fā)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活或抑制神經(jīng)元。Armbruster等［7］將人源的毒蕈堿型受體突變，構(gòu)建了人工設(shè)計(jì)的人源毒蕈堿M4 受體（human M4 muscarinic DREADD receptor coupled to Gi，hM4Di）和人工設(shè)計(jì)的人源毒蕈堿M3 受體（human M3 muscarinic DREADD receptor coupled to Gq，hM3Dq）。CNO 是非典型抗精神病藥物氯氮平的一種惰性代謝產(chǎn)物［8］，其不能激活內(nèi)源性毒蕈堿受體，但可激活突變型毒蕈堿受體。在CNO 作用下，hM4Di 受體可通過(guò)激活Gi蛋白進(jìn)而抑制神經(jīng)元；hM3Dq 受體則可通過(guò)激活Gq蛋白進(jìn)而激活神經(jīng)元。CNO 可通過(guò)口服等非侵入方式給藥，調(diào)節(jié)神經(jīng)元持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且在藥物擴(kuò)散后能作用于分散分布的神經(jīng)元［9］。最近，基于化學(xué)遺傳工具的研究集中于工程化的配體門控離子通道［10］。利用離子通道及其小分子激動(dòng)劑可激活神經(jīng)元中指定的離子電導(dǎo)，用于刺激或沉默神經(jīng)元。其特點(diǎn)在于通過(guò)藥物選擇性配體結(jié)合域和離子通道孔域組合，允許不同的離子快速通過(guò)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，因此適用于對(duì)神經(jīng)元的瞬時(shí)控制［9］，克服化學(xué)遺傳技術(shù)配體不穩(wěn)定、藥物起效延遲等不足。

表1 常用神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足

1.2 化學(xué)遺傳技術(shù)在腦科學(xué)研究中的應(yīng)用

由于化學(xué)遺傳技術(shù)可針對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的特定細(xì)胞類型設(shè)計(jì)工程受體，通過(guò)系統(tǒng)一次性給予化學(xué)藥物來(lái)調(diào)控腦神經(jīng)回路功能，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)功能的高度選擇性藥物控制，因此該技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用，如學(xué)習(xí)記憶、焦慮、抑郁和藥物成癮等［11］。在細(xì)胞活性依賴標(biāo)記的小鼠中，急性社交挫敗應(yīng)激可標(biāo)記被活化的屏狀核神經(jīng)元。應(yīng)用化學(xué)遺傳技術(shù)激活或沉默這群細(xì)胞的功能，可引發(fā)或減弱焦慮相關(guān)行為［12］。科學(xué)家設(shè)計(jì)并應(yīng)用重組腺相關(guān)病毒載體在大鼠黑質(zhì)中表達(dá)了興奮性受體hM3Dq 和A53T 突變型α-突觸核蛋白，發(fā)現(xiàn)慢性神經(jīng)調(diào)控加重了A53T 突變型α-突觸核蛋白誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)障礙，而不會(huì)改變多巴胺能神經(jīng)變性［13］。Mimura等［14］將表達(dá)興奮性hM3Dq 的腺相關(guān)病毒載體注射到狨猴單側(cè)黑質(zhì)中，在食用含有高效DREADD 激動(dòng)劑的食物30～90 min后，狨猴出現(xiàn)向激活側(cè)對(duì)側(cè)方向旋轉(zhuǎn)行為。

1.3 化學(xué)遺傳技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足

化學(xué)遺傳最大的特點(diǎn)是通過(guò)特異性藥物作用于相應(yīng)受體遠(yuǎn)程控制神經(jīng)元，為解析神經(jīng)元回路和破解神經(jīng)元功能提供了有力的工具?；瘜W(xué)遺傳相比于其他技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①可長(zhǎng)時(shí)間激活或抑制神經(jīng)元活動(dòng)；②非侵入性，操作簡(jiǎn)單，只需注射或喂食特異性藥物即可，常規(guī)實(shí)驗(yàn)室就可達(dá)到；③安全性相對(duì)較高，在體內(nèi)應(yīng)用比較安全。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，化學(xué)遺傳的不足也顯現(xiàn)出來(lái)：①化學(xué)遺傳中藥物發(fā)揮作用需要一定的時(shí)間，這就意味著對(duì)于神經(jīng)元的控制難以精確到秒，盡管這種緩慢作用的藥動(dòng)學(xué)特點(diǎn)在研究簡(jiǎn)單的神經(jīng)回路方面具有優(yōu)勢(shì)，但在研究復(fù)雜神經(jīng)回路時(shí)缺乏精確的時(shí)間控制，且需要控制用藥劑量，否則可能會(huì)導(dǎo)致精神不振、活動(dòng)減少等并發(fā)癥［15］；②藥物經(jīng)代謝后作用減弱或消失，需反復(fù)注射，會(huì)對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生傷害，且配體長(zhǎng)時(shí)間暴露會(huì)使受體脫敏［16］。

綜上，化學(xué)遺傳技術(shù)是一個(gè)強(qiáng)大的神經(jīng)調(diào)節(jié)工具，可將其作為治療手段治療精神疾病。雖然化學(xué)遺傳在應(yīng)用上還有一些問(wèn)題，但隨著不斷的改進(jìn)與優(yōu)化，這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)廣泛應(yīng)用于腦科學(xué)研究，為科研工作者帶來(lái)新的驚喜。

2 光遺傳技術(shù)

光遺傳技術(shù)是將光學(xué)與遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合，將光敏蛋白導(dǎo)入特定神經(jīng)元細(xì)胞，利用光調(diào)控細(xì)胞活動(dòng)的技術(shù)［17］。在特定波長(zhǎng)的光照射下，光敏蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變，導(dǎo)致與之相互作用的蛋白解離或聚合，從而引發(fā)下游信號(hào)活動(dòng)，如基因表達(dá)、酶與底物相互作用和神經(jīng)元活化等［18］。

2.1 光敏蛋白的發(fā)展

光遺傳于2005年由斯坦福大學(xué)的Deisseroth等［19］首次提出，他們將綠藻中提取的視紫紅質(zhì)通道蛋白2（channelrhodopsin-2，ChR2）導(dǎo)入哺乳動(dòng)物神經(jīng)元并能穩(wěn)定表達(dá)，在光照下能夠使神經(jīng)元興奮。

光敏蛋白的選擇是該技術(shù)的關(guān)鍵。光敏蛋白種類繁多，通常由生色基團(tuán)和效應(yīng)蛋白構(gòu)成，其特點(diǎn)是由較小的蛋白質(zhì)或蛋白結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，受到光照時(shí)能傳遞信號(hào)，并在光照停止后恢復(fù)到原來(lái)的構(gòu)象［20］。光敏蛋白根據(jù)其作用可分為興奮型、抑制型和控制G 蛋白偶聯(lián)型［21］，常見(jiàn)的主要有視紫紅質(zhì)、視黃質(zhì)、光氧電壓傳感蛋白、核黃素藍(lán)光受體、隱花色素、光敏色素［22］和紫外光受體8［23］等（表1）。除天然光敏蛋白，還有對(duì)離子通道蛋白進(jìn)行改造的新光敏蛋白工具，這些離子通道的傳導(dǎo)速度、激發(fā)光譜和光電敏感性等生物物理性質(zhì)都不同，可滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。Cosentino等［24］將植物的LOV2-Jα的感光模塊與鉀離子通道Kcv 融合，構(gòu)建了感應(yīng)藍(lán)光的鉀離子通道（表1）。Brown 等［25］將視紫紅質(zhì)進(jìn)行拓?fù)浞崔D(zhuǎn)產(chǎn)生了新的變體。新的光遺傳工具仍在不斷開(kāi)發(fā)中。

2.2 光遺傳技術(shù)在腦科學(xué)研究中的應(yīng)用

光遺傳對(duì)各類神經(jīng)元的精確控制為神經(jīng)環(huán)路和精神疾病的研究提供了新手段，同時(shí)其也是探索神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)發(fā)生機(jī)制的重要工具。2007年，Adamantidis 等［26］通過(guò)光遺傳對(duì)特定的神經(jīng)元進(jìn)行光刺激，影響了動(dòng)物的睡眠行為，使得該技術(shù)可進(jìn)一步應(yīng)用于探測(cè)復(fù)雜的神經(jīng)行為（表1）。2011年有研究報(bào)道，對(duì)中央核基底外側(cè)杏仁核的末端進(jìn)行時(shí)間精確性光遺傳學(xué)刺激，可引起急性、可逆的抗焦慮作用［27］。2013年，Kay團(tuán)隊(duì)利用光遺傳學(xué)技術(shù)激活基底杏仁核-腹側(cè)海馬的投射增加了焦慮相關(guān)行為［28］；同年，有研究通過(guò)在腦內(nèi)植入電極和光纖，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)癲癇發(fā)作并給予光刺激進(jìn)行治療，將抑制性視蛋白在興奮性神經(jīng)元表達(dá)或興奮性視蛋白在γ-氨基丁酸能神經(jīng)元表達(dá)，均可控制癲癇的發(fā)生［29］。在小鼠中腦多巴胺能神經(jīng)元轉(zhuǎn)入光遺傳病毒，可實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元的瞬時(shí)雙向控制（抑制或激發(fā)），進(jìn)而雙向調(diào)節(jié)（誘導(dǎo)或緩解）由慢性應(yīng)激引起的抑郁癥狀［30］。

2.3 光遺傳技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足

光遺傳技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：①能夠控制光照時(shí)間，從而使細(xì)胞功能控制精確到毫秒甚至微秒級(jí)別；②通過(guò)控制光的強(qiáng)度，可瞬時(shí)控制刺激強(qiáng)度；③腦注射特異性啟動(dòng)子可將光敏蛋白精確到某個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞器，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制細(xì)胞活動(dòng)，在清醒動(dòng)物上具有時(shí)間精準(zhǔn)性；此外，通過(guò)改造光敏蛋白已獲得許多新的光遺傳工具，選擇多樣。總的來(lái)說(shuō)，光遺傳的誕生讓腦科學(xué)研究達(dá)到了前所未有的高度。

光遺傳技術(shù)仍然存在一些不足，如光纖的插入會(huì)對(duì)腦組織造成一定損傷，長(zhǎng)期植入后可形成機(jī)化包裹使光控強(qiáng)度減弱，并且動(dòng)物的自由活動(dòng)也會(huì)受到所連接光纖的限制，需要開(kāi)發(fā)具有遠(yuǎn)程控制功能的無(wú)線光源植入物以降低侵入性［31］；光敏蛋白的外源性高度表達(dá)可能會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性等。

Hsueh 等［32］將視蛋白在心肌細(xì)胞中表達(dá)，并給小鼠體外安裝微型LED 光源來(lái)誘導(dǎo)心臟節(jié)律，開(kāi)創(chuàng)了對(duì)動(dòng)物器官進(jìn)行無(wú)創(chuàng)光遺傳控制的策略，此研究結(jié)果發(fā)表在2023年Nature雜志上。相信通過(guò)不斷改進(jìn)，光遺傳技術(shù)在腦科學(xué)研究和臨床腦疾病治療中將發(fā)揮更大作用。

3 磁遺傳技術(shù)

磁遺傳技術(shù)是將磁感應(yīng)元件導(dǎo)入大腦特定區(qū)域，使其在特定神經(jīng)元中表達(dá)，在外部磁場(chǎng)刺激下激活大腦特定區(qū)域。磁遺傳技術(shù)為深部腦刺激帶來(lái)了新機(jī)遇。

3.1 磁遺傳相關(guān)感受器

多項(xiàng)研究表明，利用磁場(chǎng)作用于磁感應(yīng)元件可達(dá)到對(duì)瞬時(shí)受體電位（transient receptor potential，TRP）離子通道門控效果［33］。TRP 通道廣泛存在于從酵母到人類中，每個(gè)成員都有不同的功能和分布。該受體家族成員主要參與對(duì)刺激的感知，其中瞬時(shí)感受器電位香草酸亞型1（transient receptor potential vanilloid 1，TRPV1）離子通道是溫度和痛覺(jué)感受器，TRPV4則對(duì)滲透壓和機(jī)械刺激敏感［34］。

TRPV1 結(jié)合磁納米?；蜩F蛋白利用磁熱效應(yīng)可操控細(xì)胞活性。2012年，Stanley 等［35］利用磁熱效應(yīng)證明了磁性納米顆粒可遠(yuǎn)程控制體內(nèi)蛋白的合成（表1）。該技術(shù)利用包裹His 標(biāo)簽抗體的氧化鐵納米顆?？膳c融合His 標(biāo)簽的TRPV1 通道蛋白特異性結(jié)合的特點(diǎn)，在465 kHz無(wú)線電磁波作用下，鐵納米顆粒產(chǎn)生的磁熱效應(yīng)使TRPV1 通道打開(kāi)，引起細(xì)胞鈣內(nèi)流，并開(kāi)啟下游鈣依賴的胰島素基因表達(dá)。同樣，Anikeeva 團(tuán)隊(duì)也通過(guò)磁性納米顆粒在磁場(chǎng)下的熱效應(yīng)打開(kāi)TRPV1，觀察到HEK293細(xì)胞鈣內(nèi)流，還可激發(fā)神經(jīng)元可逆性放電［36］。利用磁性納米顆粒在磁場(chǎng)作用下熱效應(yīng)激活神經(jīng)元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物的行為控制［37］。2015年，Stanley 團(tuán)隊(duì)突破了外源納米顆粒侵入性注射和納米顆粒細(xì)胞內(nèi)化后效果降低的局限性，將外源鐵納米顆粒換成了內(nèi)源表達(dá)的鐵蛋白，在電磁波刺激下利用磁熱效應(yīng)將鐵蛋白連接的TRPV1 通道打開(kāi)，促進(jìn)了胰島素的合成及分泌［38］（表1）。在另一研究中，他們將TRPV1 通道的S6 區(qū)域引入突變，使其成為氯離子選擇性通道，在磁熱效應(yīng)下抑制了葡萄糖感應(yīng)神經(jīng)元，從而降低血糖，提高胰島素水平，并抑制進(jìn)食［39］。

TRPV4 結(jié)合磁性納米粒或鐵蛋白利用磁力效應(yīng)可操控細(xì)胞活性。Wheeler 等［40］構(gòu)建并優(yōu)化了TRPV4 通道與鐵蛋白的融合蛋白，并命名為Magneto，在體外實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了在磁場(chǎng)作用下鐵蛋白通過(guò)磁力效應(yīng)打開(kāi)TRPV4通道，引起神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢话l(fā)放，進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，該策略能引起斑馬魚(yú)的自旋行為和調(diào)控小鼠的獎(jiǎng)賞行為（表1）。本課題組也對(duì)磁遺傳新策略進(jìn)行了探索。通過(guò)His抗體修飾的磁性納米顆粒特異結(jié)合在插入His 標(biāo)簽的TRPV4，從而靶向激活TRPV4 離子通道。激活的TRPV4 離子通道可引發(fā)神經(jīng)元鈣內(nèi)流。此外，這種方法在自由移動(dòng)的小鼠中得到了證實(shí)，可有效控制動(dòng)物繞體軸旋轉(zhuǎn)和步態(tài)凍結(jié)的行為［41］。

除以上2 種機(jī)制，2015年，Zhang 團(tuán)隊(duì)通過(guò)myo-3 和mec-4 啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)IscA1基因在秀麗隱桿線蟲(chóng)的肌肉細(xì)胞和機(jī)械敏感神經(jīng)元中特異性表達(dá)，引發(fā)了肌肉收縮和后退行為［42］（表1）；Xie研究組也證明了IscA1編碼的蛋白具有磁感應(yīng)功能，因此將此蛋白命名為磁受體蛋白（magnetic receptor，MagR）。MagR 與光感受器隱花色素組合形成桿狀復(fù)合物，在磁場(chǎng)的作用下可發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此該研究也將其稱為“生物指南針”［43］。Li 等［44］設(shè)計(jì)合成了一種含鐵的蛋白質(zhì)晶體，每個(gè)晶體中都含有超過(guò)1000萬(wàn)個(gè)鐵蛋白亞基，大大提高了礦化鐵的量。當(dāng)將晶體從細(xì)胞中分離并在體外加載磁鐵時(shí)，晶體會(huì)向磁鐵移動(dòng)，證明了磁性蛋白組裝的可能性。

3.2 對(duì)磁遺傳技術(shù)的質(zhì)疑

磁遺傳技術(shù)在多項(xiàng)研究中已被證明是可發(fā)揮作用的，能以獨(dú)特優(yōu)勢(shì)調(diào)控細(xì)胞活動(dòng)，但同時(shí)也受到了來(lái)自多方的質(zhì)疑。2016年，Meister［45］基于物理學(xué)理論對(duì)磁遺傳技術(shù)的有效性提出質(zhì)疑，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中由磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率產(chǎn)生的熱量或力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到打開(kāi)離子通道的效果。對(duì)于MagR 的作用，也有人質(zhì)疑單獨(dú)的MagR不足以使細(xì)胞對(duì)加載的磁場(chǎng)做出反應(yīng)［46］，但原發(fā)現(xiàn)者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)中未觀察到陽(yáng)性結(jié)果可能是質(zhì)粒設(shè)計(jì)和表達(dá)效率所造成的。同時(shí)，作為新興技術(shù)，磁遺傳技術(shù)研究中的實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備等也缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2020年，Shen 研究團(tuán)隊(duì)將Magneto 在小腦浦肯野細(xì)胞表達(dá)，施加磁場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有改變浦肯野細(xì)胞的電活動(dòng)［47］。而2019年，Barbic［48］提出氧化鐵粒子在磁場(chǎng)作用下發(fā)生自旋產(chǎn)生的能量有可能打開(kāi)離子通道實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)效果。最近有研究對(duì)基于鐵蛋白的磁遺傳策略的實(shí)施方案進(jìn)行了評(píng)估，從轉(zhuǎn)染時(shí)間、溫度、鐵源和鈣指示劑等方面進(jìn)行測(cè)試，得出較為優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案，為磁遺傳技術(shù)的有效應(yīng)用提供了參考［49］。

磁遺傳技術(shù)因其非侵入、作用迅速、重復(fù)性好的特點(diǎn)而倍受關(guān)注，磁遺傳技術(shù)的提出無(wú)疑為腦科學(xué)研究工具的開(kāi)發(fā)提供了新方向。對(duì)不同磁遺傳策略發(fā)揮作用的分子機(jī)制還應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

4 其他調(diào)控技術(shù)

化學(xué)遺傳、光遺傳和磁遺傳技術(shù)可做到特定腦區(qū)指定類型神經(jīng)元的操控，是腦核團(tuán)環(huán)路功能研究中的常用工具。此外還有TES，TMS 和DBS 等物理調(diào)控技術(shù)在腦疾病的功能調(diào)控中發(fā)揮重要作用。TES 和TMS 技術(shù)的特點(diǎn)是從顱腦外非侵入性發(fā)送刺激信號(hào)，但腦區(qū)調(diào)控精準(zhǔn)度有限。而DBS 需侵入性顱內(nèi)植入電極，可達(dá)到腦區(qū)精準(zhǔn)控制，但亦無(wú)法做到對(duì)指定類型細(xì)胞的操控。

4.1 經(jīng)顱電刺激

TES 是一種非侵入的腦刺激技術(shù)，通過(guò)顱腦外粘貼電極將不同強(qiáng)度和頻率的電流作用于特定腦區(qū)可改變神經(jīng)元興奮性，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)控，主要包括經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）和經(jīng)顱交流電刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）。

tDCS 是利用低強(qiáng)度直流電（1～2 mA）調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)神經(jīng)元活動(dòng)。直流電電極的負(fù)極可使神經(jīng)元靜息膜電位升高，產(chǎn)生超極化，降低神經(jīng)元放電頻率，產(chǎn)生抑制細(xì)胞活性的效果；反之，正極則使神經(jīng)元發(fā)生去極化，增加神經(jīng)元放電頻率，從而激活細(xì)胞的活性。tDCS 已經(jīng)成功應(yīng)用于抑郁癥和阿爾茨海默病等疾病的臨床治療［50-51］。tACS 是將有節(jié)律的正弦和雙相交流電傳遞到目標(biāo)腦區(qū)的神經(jīng)元。目前其調(diào)節(jié)機(jī)制可能是通過(guò)同步腦波震蕩進(jìn)行，改變神經(jīng)遞質(zhì)水平，長(zhǎng)期誘導(dǎo)神經(jīng)元突觸可塑性，達(dá)到調(diào)節(jié)大腦功能和遠(yuǎn)期改善疾病臨床癥狀的效果，臨床用于強(qiáng)迫癥、妄想和癡呆等疾病的治療［52］（表1）。

4.2 經(jīng)顱磁刺激

TMS 于1985年由Barker 等［53］首次創(chuàng)立，是一種利用脈沖磁場(chǎng)無(wú)創(chuàng)穿透皮膚和顱骨作用于大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)，改變大腦皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞膜電位，使之產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動(dòng)的磁刺激技術(shù)［54］。其基本原理是在線圈中通入脈沖電流，使線圈周圍產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，將其置于頭部上方，脈沖磁場(chǎng)在頭部產(chǎn)生感應(yīng)電流可刺激相應(yīng)的神經(jīng)元。高頻TMS可瞬間提高運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性，而低頻TMS 有抑制興奮的作用［55］。TMS 是一種大腦皮質(zhì)神經(jīng)的無(wú)創(chuàng)性刺激技術(shù)，相對(duì)電刺激，該技術(shù)無(wú)需電極也不用直接接觸人體，是一項(xiàng)無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)便的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于疼痛、帕金森病和抑郁癥等精神疾病的治療［56］（表1）。

4.3 深部腦刺激

DBS 是一種新興的治療腦部疾病的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，其原理是通過(guò)腦立體定位手術(shù)將DBS 電極植入患者腦內(nèi)特定區(qū)域，通過(guò)電刺激達(dá)到治療疾病的目的［57］，故有“腦起搏器”之稱。該技術(shù)可根據(jù)患者病狀特點(diǎn)設(shè)置不同參數(shù)，大多采用＞100 Hz的高頻電刺激，一般是130～180 Hz，相比于傳統(tǒng)的物理方法該技術(shù)具有副作用小、可控、可逆的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)施中患者一旦有不適即可停止，已被美國(guó)FDA 批準(zhǔn)用于治療帕金森病［58］（表1）、肌張力障礙和原發(fā)性震顫。隨著研究的深入，適應(yīng)證已逐步擴(kuò)展至強(qiáng)迫癥、抑郁癥和癲癇等疾?。?9-60］，DBS 已經(jīng)在神經(jīng)精神疾病的治療中取得突破性進(jìn)展。

4.4 經(jīng)顱超聲刺激

TUS 技術(shù)的原理是將超聲連續(xù)波或脈沖波穿透顱骨作用于大腦組織，可調(diào)控特定神經(jīng)元的活動(dòng)。目前該技術(shù)的超聲加載有2 種：高強(qiáng)度聚焦超聲和低強(qiáng)度聚焦超聲。高強(qiáng)度聚焦超聲會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度能量，對(duì)腦組織會(huì)造成不可逆的損傷，也會(huì)產(chǎn)生熱量對(duì)其他部位造成傷害，所以目前研究較多的且更有效的是低強(qiáng)度聚焦超聲［61］。超聲刺激既可激活又可抑制神經(jīng)活性，因此選擇合適的刺激參數(shù)非常重要，目前推薦的中心頻率為0.75～3 MHz。相比于TES 和TMS，TUS 具有更高的空間分辨率，穿透力更強(qiáng)，可刺激深部腦區(qū)。對(duì)于深部腦刺激，超聲刺激可以做到無(wú)創(chuàng)，而目前該技術(shù)的作用機(jī)制尚不清楚，仍需進(jìn)一步研究，但其無(wú)疑擁有巨大潛力［62-63］（表1）。

5 結(jié)語(yǔ)

化學(xué)遺傳、光遺傳和磁遺傳技術(shù)是研究大腦功能強(qiáng)有力的工具，都可通過(guò)病毒注射以及轉(zhuǎn)基因動(dòng)物實(shí)現(xiàn)特異性受體在腦目標(biāo)核團(tuán)的感興趣類型神經(jīng)元中表達(dá)［64-65］。然而化學(xué)藥物起效延遲和光纖穿透組織的局限等問(wèn)題也不容忽視。磁場(chǎng)可穿透組織和骨骼到達(dá)大腦的深部，且無(wú)需植入性手術(shù)就可控制大腦神經(jīng)元的活化與失活，是更為有效且微創(chuàng)的方法［66］。未來(lái)磁遺傳技術(shù)可針對(duì)磁感應(yīng)元件的開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方案的標(biāo)準(zhǔn)化等方面進(jìn)行優(yōu)化［33］。如果能克服以上難題，那么磁遺傳技術(shù)未來(lái)在腦科學(xué)上的應(yīng)用也將更為深入和廣泛，并有望用于臨床疾病的治療。TES，TMS，DBS 和TUS 等技術(shù)在臨床腦疾病治療中應(yīng)用已獲得良好效果。隨著神經(jīng)調(diào)控技術(shù)的研究不斷發(fā)展壯大，研究人員在研究大腦結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制時(shí)有了更豐富的選擇的同時(shí)，也將為腦疾病患者帶來(lái)新的希望。