用于帕金森病研究的光遗传学刺激：在动物模型中恢复运动

2022 年 4 月 27 日，埃德仪器与美国生理学会合作举办了线上会议，用于帕金森研究的光遗传学刺激：在动物模型中恢复运动。本次会议受到广泛的欢迎，注册人数达到 700 多人。

在本次网络研讨会中，Louise Parr-Brownlie 博士和 Conor Underwood 博士概述了他们使用 Kaha Sciences 光遗传学生物电植入子，对帕金森病大鼠的运动丘脑进行慢性刺激的研究。

主要学习目标：

●了解可长期植入的光遗传学刺激设备的功能及其研发

● 回顾 ADInstruments 的 Kaha Sciences 光遗传学生物电植入子的手术步骤

● 讨论术后护理和管理的技巧和窍门

一摘要

脑深部电刺激是帕金森病患者的有效治疗方法。然而，一些患者会出现刺激引起的副作用，例如认知能力下降和步态恶化。神经元和解剖通路的非选择性电刺激是其中一些副作用的基础。

LouiseParr-Brownlie 博士和 Conor Underwood 博士假设光遗传学刺激可能是深部脑刺激的高度选择性替代方案，它可能会避免电刺激的一些有害副作用。他们发现，运动丘脑的急性光遗传学刺激可以恢复帕金森病大鼠模型的运动。作为将光遗传学刺激转化给人类的关键步骤，他们的研究优化了可植入设备的设计，在帕金森病大鼠中提供慢性（2 个月）运动丘脑刺激，最终改善运动，包括日常生活活动。这些设备的手术植入技术要求很高，光纤有限的柔韧性使其更具挑战性。在本次网络研讨会中，Louise 和 Conor 将概述手术步骤和术后护理要求，并将讨论这项研究和他们未来的工作方向。

二直播内容回放

01:36 - 02:11

学习目标：

1. 学习可长期植入的光遗传学刺激设备的研发原因

2. 学习 ADInstruments 的光遗传学设备的植入手术操作步骤

3. 学习术后护理的技巧和窍门

02:12 - 03:18

LouiseParr-Brownlie 博士首先阐述了自己科研工作相关的临床大背景：「西方社会中大约 15% 的人患有脑部疾病，脑细胞死亡或过度活跃会导致帕金森病、痴呆症、慢性疼痛和癫痫。此外，还有 15% 的人被诊断出患有抑郁症、焦虑症和精神分裂症等心理健康问题。对于这些人中的大多数来说，他们可以通过行为和心理沟通来治疗或控制这些症状。但对有些人没有反应，他们的顽固症状只可以通过手术干预来治疗。今天的讲座将讨论深部脑刺激以及可能成为下一代治疗方法的技术-光遗传刺激。」

03:19 - 04:23

深部脑刺激于 1996 年获得美国食品和药物管理局的批准，现在用于治疗包括帕金森病在内的许多脑部疾病。通过脑立体定位仪设备，MRI 等，可以很好地定位和识别目标脑区，然后进行外科手术将电极放在目标结构上，导线通过皮下，起搏器放在胸前。深部脑刺激非常有效。然而，对于帕金森病，大约 33% 的接受这项技术的人最终会出现抑郁、构音障碍、冲动和认知能力下降等副作用。

04:24 - 05:44

为什么患者最终会出现电刺激的这些副作用？它归结为刺激电极非选择性的刺激神经元，而这些细胞来自大脑的不同部分，控制不同的功能，并且都恰好靠近电极刺激位点，因此可以触发这些副作用。理想情况下，我们希望减少副作用。光遗传学刺激是选择性的，这就是开发这项技术的好处。我们可以主动刺激一种细胞，可能只刺激一个大脑区域，进而可以实现非常严格的持续控制。我们的方法是，让细胞有对光反应的蛋白质，右上方的这个细胞，光脉冲可以激活或调节该细胞的活动。

05:47 - 07:08

现在我们只专注于动物实验，我们会使用转基因动物在目标脑区表达视蛋白，我们所做的是使用了一个小的病毒载体，敲除其基因编码并插入表达视蛋白的基因编码，病毒被注射到我们的目标结构上，在该区域中，光敏蛋白在细胞膜上表达。然后一旦表达稳定，当我们闪烁淡蓝色光脉冲时，通道激活，打开细胞瞬间去极化，可以产生动作电位。关键是通过这项技术，我们可以控制闪光，并尝试恢复运动等功能。

07:09 - 09:06

这是人脑中的运动通路，基底神经节、丘脑皮质通路和该通路中的细胞需要在正确的时间以正确的顺序被激活，才能发生精确的运动。帕金森病中多巴胺细胞死亡，这些结构内部和之间的活动变化，并导致运动迟缓和身体僵硬发生。为了恢复运动，将深部脑刺激电极放在下丘脑核团。完成后，我们知道人的动作已经恢复，并且其中一些结构，我们也看到了活动和结构的正常化。我们想以运动丘脑为目标。原因是，它位于基底神经节（多巴胺细胞死亡）和运动皮层（它还是沿着脊髓下行之前制定精确运动计划的地方）之间。关于此结构的重要一点是，虽然不会直接激活运动皮层，但是当运动丘脑细胞受到刺激时，它们往往会增加皮层神经元的兴奋性。作为一种疗法，它的意义是使运动皮层细胞接收所有正常的输入，这些输入通常有助于运动的发生。

09:11 - 10:43

我们应用了非常不同的刺激模式。一般深部脑刺激下丘脑核团用 130 HZ 的高频刺激，但这并不是正常大脑频率，我们设想用更复杂的模式是否可以更有效地恢复功能。第一个模式是基于 theta 的刺激，我们还使用正常大鼠做 reaching 任务时候的模式。

10:43 - 12:02

我们所做的实验是首先诱导帕金森病模型大鼠。和对照组大鼠（200 次每 5 分钟）相比，模型大鼠的前肢伸出觅食活动数量显著减少到大约 20 次每 5 分钟。如视频所示，这就是我们的基线。然后我们以不同的模式进行了 10 分钟的蓝光刺激。可见 130 赫兹是有效的，但基于 theta 的刺激和 reaching 模式都显著增加了前肢伸出觅食活动数量。

12:04 - 12:40

相同的实验和大鼠，在 20 分钟的蓝光刺激后，注意喂食区域，您会看到大鼠的前肢伸出觅食活动。所以我们实际上已经恢复了运动功能并减少运动障碍。

12:40 - 14:44

接下来我们开始考虑如何在实际中转化。因此，如果我们想转向光遗传学刺激，我们需要改变技术。人类的大脑比大鼠的要重 600 倍，所以我们需要改变技术，以便能够刺激更大的大脑区域。还需要改变病毒载体和视蛋白，以便让足够的光线照射到目标大脑区域。我们开始这个实验时最大的问题是没有合适的设备。我们需要一种可以每天 24 小时刺激的光遗传学刺激装置。首先，它是可长期植入的；电池可以定期充电；然后基于我们之前的实验，我们希望能够应用非常复杂的刺激模式。我们很幸运，我们一直在与一些新西兰的生物工程师交流，意识到他们已经开发了硬件和软件来控制光遗传学刺激设备。所以我们开始采用该技术并反馈改进信息，使其成为一个非常有用的产品。

16:50 - 21:27

植入手术术前准备：

1. 药品：异氟醚麻醉，预防性抗生素（amphroprim）和镇痛药（卡洛芬和丁  丙 诺 啡）。

2. 大鼠体重和品系

3. 专门设备：套管（10 mm 内径，200 mm 长）；立体定位仪插入工具（开放设置）

21:27 - 24:18

植入子术前准备：

1. 引导光纤线的插管

2. 弯曲和打结过长的光纤

3. 消毒植入子（必须）: 环 氧 乙 wan 气体消毒；强力消毒剂（如 Cidex OPA）

4. 熟悉光纤的物理特性：弯曲半径 5 mm（断点 3 mm）

24:19 - 41:50

植入手术流程和要点：

1. 麻醉和准备手术

2. 植入植入子体部

3. 将导线通向颅骨

4. 立体定位手术

5. 堆积牙科水泥头件

6. 缝合腹腔伤口: 皮下连续缝合；辅用组织胶

41:50 - 44:56

术后护理技巧和窍门：

√修改笼具：适合头件；小心带有凹形地板的动物笼，这会影响充电；用纸/棉绒代替硬（玉米，木头）窝（异食癖行为）

√预防性镇痛和抗感染：术后 3 天镇痛和抗生素；如果出现血肿，用更长时间的非甾体抗炎药（例如卡洛芬）

√保护植入子：检查头后是否有裸露的电线和光纤；立即修复腹部伤口

44:56 - 47:43

取出和可重复使用植入子：

取出前麻醉和固定好大鼠

注意不要剪断皮下和腹腔的导线。手术刀通常比剪刀更安全（尽可能钝性分离）

方法 1：切断最靠近头件的导线和光纤。最简单，最省时，但限制植入子的使用寿命。

方法 2：带连接导线一起移除头件，将头件溶解在丙酮中 3 - 5 天。需要大量的时间和耐心，光纤开裂或切断的风险高，但无限的植入子寿命。

47:43 - 48:29

再次感谢团队和合作伙伴，以及本次活动的组织者：ADINSTRUMENTS 公司！

埃德全球直播课特约嘉宾·Louise Louise Parr-Brownlie Ph.D. 副教授，解剖学，奥塔哥大学 Louise 完成了她的神经生理学博士学位，然后在美国国立卫生研究院担任研究职位。Louise 描述了帕金森模型中运动通路的神经元活动变化，研究了运动丘脑的刺激是否能恢复运动，并与生物工程师合作开发可植入的光刺激装置。
埃德全球直播课特约嘉宾·Conor Conor Underwood Ph.D. 博士后研究人员，解剖学，奥塔哥大学

Conor是一位充满激情的年轻科学家，对神经科学研究的新技术有着浓厚的兴趣。他的研究旨在描述和治疗帕金森病的丘脑皮层功能障碍（博士后时期）和肾脏疾病的下丘脑功能障碍（博士时期）。
Conor 是一位充满激情的年轻科学家，对神经科学研究的新技术有着浓厚的兴趣，他的研究旨在描述和治疗帕金森病的丘脑皮层功能障碍（博士后时期）和肾脏疾病的下丘脑功能障碍（博士时期）。