光遺傳學，用光控制轉(zhuǎn)基因細胞，已經(jīng)徹底改變了生命科學和醫(yī)學。它允許通過光脈沖有針對性地控制細胞及其網(wǎng)絡(luò)的活性。這為治療感覺系統(tǒng)功能障礙(如聽力和視覺)開辟了全新的視角。

光遺傳學治療在感覺系統(tǒng)功能恢復方面的潛力及其臨床可行性最近已被證明用于視覺系統(tǒng)。光學人工耳蝸(oCI)對聽力損失和耳聾的光遺傳學治療仍處于臨床前階段。臨床前研究和模擬表明，用光聽有可能實現(xiàn)近乎生理的聽覺印象，包括識別情緒音調(diào)和復雜的旋律。

哥廷根卓越集群多尺度生物成像：從分子機器到興奮細胞網(wǎng)絡(luò)(MBExC)的初級研究員Antoine Tarquin Huet博士探討了oCI在人類中的臨床應(yīng)用必須滿足的要求。“用光聽覺需要oCI將聲音信號轉(zhuǎn)換為光信號模式，然后以適當?shù)姆绞酱碳ざ佒械纳窠?jīng)元。光遺傳學刺激必須根據(jù)聽覺神經(jīng)細胞的編碼特性精確定制，“哥廷根大學醫(yī)學中心(UMG)聽覺神經(jīng)科學研究所的Huet說。

“在目前的研究中，我們定義了適當?shù)拇碳?shù)，在這些參數(shù)內(nèi)，使用未來的光遺傳假體(如oCI)控制聽覺神經(jīng)元是合理的。在他們最近發(fā)表在《腦刺激》雜志上的研究中，哥廷根聽力研究人員描述了如何實現(xiàn)未來光遺傳學工具的快速可靠的表征，然后可用于研究耳朵和大腦之間神經(jīng)元信號的處理。

通過光遺傳學方法恢復聽力允許通過用光脈沖靶向下游聽覺神經(jīng)元的活動來繞過功能失調(diào)或缺失的感覺細胞。該方法需要基因療法，其中通過插入光敏離子通道(所謂的通道視紫紅質(zhì))使聽覺神經(jīng)細胞變得光敏。oCI的植入式光學刺激器用于光的靶向刺激。

這導致通道打開和離子流入，發(fā)生動作電位，并且神經(jīng)細胞被電激發(fā)。用于刺激聽覺神經(jīng)的光脈沖可以比電更精確地使用，因此能夠激活比迄今為止使用的電CI更少的聽覺神經(jīng)細胞更小的區(qū)域。光遺傳學刺激的細胞特異性和空間限制有望改善功能恢復，遠遠超過當前人工耳蝸電植入物所能達到的水平。

詳細研究結(jié)果

用光恢復聽力的前提是光學人工耳蝸將傳入的聲音信息轉(zhuǎn)化為光信號，從而以適當?shù)姆绞郊せ疃佒械纳窠?jīng)細胞。為了為臨床試驗鋪平道路，從而為未來在人類中的應(yīng)用鋪平道路，第一步是確定控制耳蝸中神經(jīng)細胞活動的界限。

“用光對神經(jīng)元活動進行最佳控制遠非微不足道，”Huet說。“它需要對所用通道視紫紅質(zhì)的產(chǎn)生及其細胞膜摻入進行良好的調(diào)整，光遺傳學刺激參數(shù)與目標神經(jīng)元群的編碼特性的最佳匹配，以及激光二極管的正確選擇。”

在他們的研究中，哥廷根科學家提出了神經(jīng)元光遺傳學控制的參數(shù)范圍，并將其應(yīng)用于需要高時間精度刺激的聽覺通路。他們研究了定義強度和持續(xù)時間的光脈沖如何控制小鼠耳蝸中單個聽覺神經(jīng)元的激活。為此，他們將Chronos引入小鼠耳蝸的螺旋神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元(SGN)，這是一種天然存在的通道視紫紅質(zhì)，能夠?qū)獯碳ぷ龀鰳O快的反應(yīng)。

他們證明，通過調(diào)整光脈沖的持續(xù)時間，可以實現(xiàn)聽覺神經(jīng)元的分級激活。這對于激光二極管的最佳使用具有重要意義。此外，他們定義了給定條件下光脈沖頻率的最佳持續(xù)時間和上限。

有趣的是，光遺傳學控制的聽覺神經(jīng)元群體表現(xiàn)出極大的多樣性。“從理論的角度來看，這種功能多樣性是擴大編碼信息量并提高其可靠性的關(guān)鍵因素，”Huet說。

此外，研究結(jié)果表明，當SGN受到光遺傳學刺激時，SGN下游的神經(jīng)元可以以近乎生理的方式被激發(fā)。哥廷根聽力研究人員的發(fā)現(xiàn)將為設(shè)計未來光學人工耳蝸的聲音編碼策略鋪平道路。