秀丽隐杆线虫可兴奋细胞通道视紫红质-2的光激活触发快速行为反应
为了研究特定神经元在其固有电路中的功能，需要精确地控制它们的活动。这通常需要解剖以允许精确的电刺激或神经递质应用，因此在活体动物中，特别是在小型模型生物中，这是固有的困难。在这里，我们使用通道视紫红质-2（ChR2），一种来自绿藻莱茵衣藻的直接光门控阳离子通道，在线虫秀丽隐杆线虫的可兴奋细胞中，通过光照来触发特定的行为。通道视紫红质是7-跨膜螺旋蛋白，类似于光驱动质子泵细菌视紫红质，它们也利用发色团全反式视网膜，但打开一个固有的阳离子孔。在肌肉细胞中，光激活的ChR2引起强烈的同时收缩，在突变的L型电压门控钙通道（VGCCs）和ryanodine受体（RyRs）的背景下，这种收缩减少。电生理分析显示快速的内向电流持续时间与光照时间一样长。当ChR2在机械感觉神经元中表达时，光诱发了通常由机械刺激引起的戒断行为。此外，ChR2在缺乏MEC-4/MEC-10机械感觉离子通道的突变体中激活这些神经元。因此，在活体动物、行为动物和解剖动物中，表达ChR2的特定神经元或肌肉可以被光快速可逆地激活。
Nagel G, Brauner M, Liewald JF, et al. Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses. Curr Biol. 2005 Dec 20;15(24):2279-84.
异种离子通道的光化学门控：对基因指定神经元群的远程控制
能够将物理或化学刺激转化为电信号的异源蛋白质可用于控制完整组织或生物体中可兴奋细胞的功能。这些选择性寻址的去极化电流源在遗传上仅限于细胞靶点的限定群体，可向神经回路提供分布式输入，刺激分泌，或调节力和运动。在这一原理的初步证明中，我们使用了G蛋白偶联信号系统的元件，即果蝇的光转导级联，使一般脊椎动物神经元对光敏感。我们现在描述使用异位表达的配体门控离子通道作为光学或药理学刺激的传感器。当辣椒素受体TRPV1、薄荷醇受体TRPM8或离子型嘌呤能受体P2X（2）被导入海马神经元时，细胞对激动剂的脉冲应用产生反应，其特征序列为去极化、尖峰和复极。反应需要受体和激动剂之间的同源匹配，在约40hz的激发频率达到峰值，迅速启动和终止，并且没有衰减。精确的剂量-反应关系允许通过改变配体的浓度来调节电流幅度和放电频率。在TRPV1和P2X（2）的情况下，激动剂可以通过药理学或光学方式施用，通过光释放来自各自“笼状”前体的活性化合物，4,5-二甲氧基-2-硝基苄基-辣椒素和P（3）-[1-（4,5-二甲氧基-2-硝基苯基）乙基]-ATP。
Zemelman BV, Nesnas N, Lee GA, and Miesenbock G. Photochemical gating of heterologous ion channels: remote control over genetically designated populations of neurons. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003 Feb 4;100(3):1352-7.
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