光遗传学
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2023年3月17日发(作者：聚丙烯酰胺凝胶)《激光杂志》2014年第35卷第7期LASERNAL（.7.2014）
光遗传学技术对抑郁症的研究应用
（第三军医大学，重庆400038）
摘要：光遗传学（optogenetics）技术是近年来快速发展的一项生物工程技术，可以对神经元进行精确控
制。本文就现有抑郁症治疗的不足做了分析与总结，介绍了光遗传学技术在抑郁症研究应用方面的新进展，提
出抑郁症相关行为表现与VTA多巴胺神经元的放电模式、投射通路的特异性、压力类型和压力严重程度之间存
在相关联系。
关键词：光遗传学；抑郁症；发病机制；治疗；多巴胺
DOI编码：doi:10.3969/.0253-2743.2014.07.104
中图分类号：O524;O434文献标识码：A文章编号：0253-2743(2014)07-104-04
Applicationsofoptogeneticstechnologyfordepression
GaoRong，LiaoXin-hua
（ThirdMilitaryMedicalUniversity，Chongqing400038，China）
Abstract:Optogeneticsteca
combinationoftechniquesfromopticsandgeneticstocontroltheactivityofindividualneuronsinlivingtissue,even
withinfreelymovinganimals,ticle
analyzedandsummarizedthelackofexistingmethodsoftreatmentfordepression,andintroducethatoptogenetics
advantageofthetemporalprecisionandcelltypeofoptogenet-
icstoshowthatdepression-relatedbehaviorsarerelatedtofiringpatternsofdopamineneurons,projection-pathway
specificity,pressuretypeandthestressseverity.
Keywords:Optogenetics；DepressiveDisorder；BehaviorMechanisms；Therapy；Dopamine
收稿日期：2014-03-22
通讯作者：廖新华
高荣，廖新华
高荣：光遗传学技术对抑郁症的研究应用
抑郁症是一种常见的心境障碍，随着生活节奏加
快、压力增大，发病率呈明显上升趋势。目前，抑郁症
的治疗方式包括药物治疗、心理治疗和物理治疗。然
而，每种治疗方式均有不足之处，对抑郁症发病机制
缺乏精确性定位。光遗传学技术的出现，实现了特
异、快速、直接地改变神经元活性，提供了精确定位确
定抑郁症发病机制的可能性，为抑郁症治疗提供了新
思路。
1现有治疗方法
1.1药物治疗
药物治疗是目前抑郁症治疗方式中较有效的方
式之一，通过药物治疗，约70%的抑郁症患者可取得
不同程度疗效，约30%效果不佳[1]，且存在口干、秘便、
头痛、出汗、失眠、疲劳，高热、性功能障碍、心力衰竭、
癫痫发作、过量中毒等副作用。单纯的药物治疗对重
症抑郁效果不理想。
1.2心理治疗
对抑郁症最有影响力的心理治疗方式包括人际
心理治疗和认知—行为心理治疗模式[2]。研究表明，
对抑郁症病人实施心理干预能有效改善病人的抑郁
情绪。然而，心理干预要求患者具有一定的理解领悟
能力，以便与治疗师密切配合，对木僵病人等并不适
用，且心理治疗所用时间相对较长。
1.3物理治疗
1.3.1无抽搐电休克治疗（MECT）
现代电休克（MECT）治疗是在传统电休克
（ECT）的基础上引入静脉诱导麻醉，注入肌松药之后
的电休克治疗[3]。对于有严重自杀倾向、木僵表现的
急性期抑郁发作患者，改良电休克治疗是现阶段首选
治疗，起效快、疗效好，但因其方法的特殊性不能广泛
被大众所接受，且抗抑郁作用机制尚未明确，常见副
反应包括短期内记忆力减退、头痛、恶心、乏力等。
1.3.2重复经颅磁刺激治疗（rTMS）
重复经颅磁刺激治疗是非侵入性治疗手段，其疗
效相对有限，但因具有无创、操作简单、安全性好等特
点更容易为患者所接受。加拿大、以色列等国已经正
式批准其用于抑郁症的治疗[4]。rTMS应用的许多方
面尚待研究，如：最佳刺激参数的选择、高低频不同部
·激光医学（论文与临床报告）·
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位联合刺激的疗效、治疗远期疗效及不同人群最佳的
治疗参数等[5]。
2光遗传学技术
光遗传学技术，也称光基因工程是近年来快速发
展的一项生物工程技术，能够准确控制单一神经元电
活动，并直接演示神经元激活表现出的行为结果，整
合了遗传学、行为学、药理学和电生理学等多学科方
法[6]。其基本原理如下：首先采用基因操作技术将光
感基因转入神经系统特定类型的细胞中，实现视蛋白
光学门控离子通道的成功表达，光控离子通道在不同
波长的光照刺激下，改变阳离子或阴离子的通透性，
从而使细胞膜两边的膜电位发生变化，达到选择性兴
奋或抑制特定神经元细胞的目的。
相关研究表明，视蛋白光学门控离子通道可在神
经元中稳定表达，且所需能量较低，普通激发光即可
实现对其激活的作用[7]。其中，对蓝光敏感的紫红质
通道蛋白Channelrhodopsin(ChR)和对黄绿光敏感的
嗜盐菌紫质Halorhodopsin(NpHR)可以分别实现对
神经元的激活（去极化）和抑制（超极化）作用，已被广
泛应用于神经系统的研究。
光遗传学技术实现了运用光精确控制神经元
“开”“关”的功能，目前，在研究治疗慢性疼痛、帕金森
氏症、视网膜变性、脊髓损伤等方面均有应用。
3光遗传学技术的优势
现有对抑郁症的治疗方法存在副作用多、作用机
制不明确、精确性不高等问题。光遗传学技术能够实
现对相关神经元的精确控制，这不仅为我们进一步明
确抑郁症发病机制提供了可能，这项技术的成功应用
更能极大地提高抗抑郁疗效。
3.1与电生理方法的比较
控制神经回路的传统方法是植入电极，通过电脉
冲刺激相关神经元以实现时间上的精确控制。然而，
这种方法靶向性不高，不能对动物体内特异性细胞和
指定位点进行精确定位。光遗传学技术通过极细的
光束便可以实现对单一神经元的精确控制，极大地提
高了细胞特异性和空间选择性。其次，要实现对活
体、觉醒动物的电脉冲刺激，电极刺激技术难度较大，
动物的运动性往往使电极固定困难，实验难以展开。
相对来说，光遗传学技术在植入光纤实施光刺激时，
通过施加光束实现对神经元的精确控制则要容易得
多[8]，极大地提高了实验的可行性与可操作性。
3.2与化学药物方法的比较
药物作用速度慢，而作为可溶性物质又会扩散到
非指定细胞及区域，在时间和空间上均不能实现精确
定位与准确控制，容易激活大脑无关神经回路，造成
明显副作用及无法预知的后果。光遗传学技术利用
基因转导技术，可以实现光敏基因蛋白的准确特异表
达[9]，再通过对活体动物脑部经基因转导的神经元实
施精准刺激，实现对特定神经回路的控制，具有独特
的高时空分辨率和细胞类型特异性两大特点，打破了
传统药物方法时间与空间的局限性。
4光遗传学对抑郁症研究的新进展
抑郁发生和抗抑郁的实现与脑部相关回路的变
化有关[10]。大量研究指出，中脑腹侧被盖区（VTA）中
富含的多巴胺神经元在脑部奖赏回路中有很大作用
[11-14]。然而，由抑郁引起的机能障碍本身很复杂，心境
障碍的特异性又进一步加大了这种复杂性[15]，现有技
术手段并不能专门针对多巴胺神经元，因此这个观点
一直没有被证实，精确定位神经元便显得更加迫切。
近期，斯坦福大学利用光遗传学技术对抑郁症进行了
相关研究，实验表明利用激光精确控制中脑多巴胺神
经元的活性，可以快速调节抑郁症相关行为[9]。
4.1中脑多巴胺神经元调节抑郁样行为的研究
现阶段，直接证明多巴胺神经放电可以促进抑郁
样行为表现的证据还很缺乏。Tye等[6]将携带eN⁃
pHR3.0的Cre依赖腺相关病毒（AAV）注入小鼠VTA
的酪氢酸羟化酶（TH）中并成功表达，eNpHR3.0与
增强型黄色荧光蛋白（eYFP）融合，便于量化跟踪。
用大鼠悬尾实验（TST）和强迫游泳实验（FST）做为不
可避免的压力源，通过观察其逃跑行为（挣扎）存在时
间的改变证明其动机变化，为了证明不是选择性逃跑
动机减少，实验人员又运用开放式舞台探索实验证明
动机降低是自发的。实验以未携带eNpHR3.0基因
片段的小鼠做对照组，将光纤植入小鼠脑部便于光遗
传学研究。结果表明，黄光刺激后经eNpHR3.0转染
的小鼠挣扎时间减少，蔗糖偏好降低，开放舞台探索
时间减少。由此证明了选择性抑制VTA多巴胺神经
元可以极大地诱发抑郁样行为。
相反，选择性激活VTA多巴胺神经元可以极大
地缓解由慢性压力引起的抑郁样症状。研究人员利
用时间密集型慢性轻微压力源（CMS）诱发抑郁样行
为[14]，引起动机和快感缺乏，具体表现为逃跑相关行
为减少，蔗糖偏好度降低。分为四个实验组：CMS环
境下经ChR2转导的小鼠；
CMS环境下经eYFP转导
的小鼠；低压力环境中经ChR2转导的小鼠；低压力
环境中经eYFP转导的小鼠。实验运用TST、FST及
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探索开放舞台实验进行测定。结果表明，经CMS刺
激的小鼠逃跑相关行为比低压力环境下小鼠减少约
50%；蓝光刺激ChR2标记组，其逃跑行为、探索开放
舞台时间、蔗糖偏好度迅速增加；经CMS刺激的小鼠
经位相型蓝光刺激抑郁样行为可以扭转到未经CMS
刺激（低压力）的水平上。
令人惊奇的是，多巴胺的作用可能与压力类型有
关。Chaudhury等[9]将ChR2基因片段在经受重复社
会压力范式的小鼠脑部成功表达。蓝光刺激后，经
ChR2转导的适应性小鼠（无抑郁样症状）迅速转为易
感性，产生抑郁样行为，表现为在互动区时间减少，快
感缺乏、蔗糖偏好度降低。
以上结果说明，VTA多巴胺神经元的确可以对抑
郁相关行为起到双向调节作用。然而我们需要明确
的是，中脑边缘系统是十分复杂的，早期接触的压力
类型不同、严重程度不同可能会造成完全相反的神经
元响应[17-20]。
此外，Chaudhury等[9]还发现伴随在阈下失败范
式后强烈的光刺激可以引发蔗糖偏好度持续降低12
个小时，并激发自发放电。这个现象表明VTA多巴
胺神经元的活性改变可以持续很长一段时间。
4.2多巴胺神经元放电模式的研究
VTA多巴胺神经元在活体内有两种放电模式：一
种是低频的音质性放电，一种是高频的位相型放电。
Chaudhury等[9]将光纤植入小鼠体内，在体内外分别
用蓝光刺激经ChR2转导的多巴胺神经元，电生理记
录结果表示，光刺激可以引起短暂而精确的光电流。
持续时间（2s）或高频光脉冲（体外20Hz、体内25Hz）
刺激诱导位相型放电，而低频光脉冲（体外0.1Hz、体
内0.25Hz）刺激会则引发音质性放电。证明了通过光
遗传学技术可以实现体内外神经元的精确时间控制。
多项研究证明，重复社会失败压力可以上调神经
元的位相型放电，编码奖励信号，从而诱发抑郁相关
行为，这在啮齿类动物模型中已得到高度认证[19-24]。
Chaudhury等[9]分别用0.5Hz及20Hz（每隔10s产生5
个脉冲）光刺激诱发神经元音质性放电和位相型放
电。对经24h阈下社会失败范式的易感小鼠进行重
复社会失败压力刺激，即让易感小鼠与被禁闭大鼠进
行连续10天的重复性物理接触和感觉压力接触。随
后，利用0.5Hz及20Hz光分别刺激小鼠。结果显示，
利用高频位相型光刺激的多巴胺神经元自发放电频
率明显增快，成功表达ChR2基因的易感性小鼠产生
抑郁样行为，具体表现为：出现社会回避行为、蔗糖偏
好读下降。利用缓慢稳定的音质性光刺激的小鼠和
未经ChR2基因转导的控制组小鼠则未发生相同转
变。此外，研究人员还发现压力的严重程度与多巴胺
神经元放电存在紧密联系。
在对多巴胺神经元进行标记的过程中发现，一些
非多巴胺神经元也被标记，虽然这些神经元只存在极
少数，研究这些非多巴胺神经元对应激反应的潜在影
响仍是十分重要的。
4.3投射通路特异性的研究
多巴胺神经元投射通路覆盖整个大脑，两条重要
通路分别为，中脑边缘系统通路（mesolimbicpath⁃
way），也称VTA—NAc通路，从VTA通往伏隔核（nu⁃
cleusaccumbens）；中脑皮层通道（mesocorticalpath⁃
way），也称VTA—mPFC通路，从VTA通往额叶
皮质。
Chaudhury等[9]以PRV-Cre病毒为载体，在小鼠
NAc中注入AAV-DIO-ChR2-eYFP并成功表达，对
进行24小时的阈下社会失败范式的小鼠进行蓝色光
刺激，易感小鼠产生社会回避行为增加和蔗糖偏好度
降低的现象。由此证明，利用光遗传学技术选择性刺
激VTA—NAC通路可以诱发易感性。
类似地，实验人员在小鼠NAc中注入
AAV-DIO-halorhodopsin（NpHR）-eYFP并成功表
达，对经受长期阈下社会失败范式的易感小鼠进行黄
色光刺激，迅速诱发了适应性，产生社会互动和蔗糖
偏好度增加的现象。由此证明，利用光遗传学技术选
择性抑制VTA—NAC通路可以诱发适应性。
相反，选择性抑制VTA
—mPFC通路可以诱发易
感性。但是，经NpHR转导的小鼠除社会互动时间降
低外，蔗糖偏好度却无明显变化。利用ChR2基因片
段的成功表达，通过蓝色光对mPFC通路进行激活的
效果也与NAc通路不同，经受长期阈下社会失败范式
的易感小鼠社会互动和蔗糖偏好度并无明显变化。
5问题与展望
在Tye等[6]和Chaudhury等[9]利用光遗传学技术
的研究中仍存在一些问题未得到解决，如：①未经基
因标记的小组呈现与经基因标记小组变化趋势相反
的微小变化，一些非多巴胺神经元也被标记。这些现
象不禁让人思考，光照刺激是否会引起大脑无关通路
的改变，造成脑部神经元的不可逆变化；②在动物模
型中，蔗糖偏好度及FST的测验结果可能与食欲的变
化、主动与被动的转变有关，结果解释需要谨慎；③老
鼠的大脑回路与人有很大区别，病毒转导的安全性与
治疗的副作用还未得到验证，因此，将此技术应用到
人的抑郁症治疗中还为时尚早。
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6小结
光遗传学的相关研究表明抑郁症相关表型与
VTA多巴胺神经元的放电模式、投射通路的特异性、
压力类型和压力严重程度存在一定联系[25]，这种发现
为VTA多巴胺神经元的复杂作用提供了新的见解。
通过精确定位，快速而直接地改变神经元活性的光遗
传学技术对深入研究抑郁症发病机制和抑郁症治疗
提供了新思路和新可能。
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