主

编

点

评

David Brody 教授

Journal of Neurotrauma杂志主编

光遗传学和相关技术已经彻底改变了我们对大脑生理学的理解。然而，为了了解损伤引起的大脑生理紊乱以及恢复过程中发生的代偿机制，仍有大量的工作要做。值得祝贺的是，作者们撰写了一篇全面而深刻的综述，有望指导未来十年的重要工作。

David L. Brody, MD, PhD

《Journal of Neurotrauma》主编

Optogenetics and related techniques have revolutionized our understanding of brain physiology. However, there remains a great deal of work to be done in order to understand the derangements in brain physiology caused by injury, as well as the compensatory mechanisms occurring during recovery. The authors are to be congratulated on a comprehensive and insightful review that hopefully will guide important work over the next decade.

David L. Brody, MD, PhD

Editor-in-Chief

Journal of Neurotrauma

耿渊明^1,**，李振兴^2,3,**，朱俊豪^3,**，杜超楠³，苑锋³，蔡祥铭⁴，衣利亚尔·艾力¹，杨进²，唐超²，从子翔²，马驰原^1-5,*

1.南京医科大学附属金陵医院，神经外科，中国南京 

2.东部战区总医院，中国南京

3.南京大学医学院附属金陵医院，中国南京

4.东南大学医学院，中国南京

5.南方医科大学第一临床医学院，神经外科，中国南京

*通讯作者 **三位作者对本文贡献均等

中枢神经系统（CNS）对外界冲击造成的损伤和内环境的变化十分敏感。CNS损伤可能导致患者永久性功能缺陷。同时，CNS的自我修复能力非常有限，极大依赖有效的外界干预措施。一些专注于功能康复的治疗策略已经被开发出来，用于干预这些神经病变，例如基因治疗、纳米治疗和细胞替代疗法。然而，它们仍面临着一系列的临床转化障碍，因此目前研究创新性的治疗方法尤为重要。

近来，光遗传学技术在光学、遗传学和病毒学的整合下因其靶向特异性，精确的时间可控性为神经科学领域开辟了全新的实验方法。该技术利用遗传学的方法让特定细胞表达光敏通道蛋白（如视蛋白），使光能够激活或抑制神经元活动。控制神经元活动的原理是改变不同通道蛋白对阳离子和阴离子的渗透性，以此调节细胞的动作电位。通过人工转染靶细胞，细胞的功能和行为将受到外部光刺激的调节。新型视蛋白的发展使调节细胞信号更加精细化，而光刺激系统的持续改进则使光遗传学能够结合更多的研究模型。光遗传学与对应的辅助技术（如双光子荧光显微镜、基因编码钙离子指示剂[GECIs]和基因编码电压指示剂[GEVIs]）的组合，让我们能够实时观察和记录细胞信号的变化。

上述内容表明光遗传学非常适合用于神经环路研究，例如癫痫、精神障碍和认知障碍等领域。然而，光遗传学在CNS损伤的应用仍处于起步阶段，当前的研究内容值得仔细分析以探索其进一步的研究价值。在这里，我们回顾了光遗传学的最新进展，并对光遗传学目前在CNS损伤治疗方面的应用进行了全面总结。同时，我们也讨论了这项技术的潜在缺陷及未来发展方向。

注：Arch：古细菌视紫红质；ChETA：E123T突变的紫红质通道蛋白-2；ChR2：紫红质通道蛋白-2；ChRger：紫红质通道蛋白经高斯过程模型训练设计的重组视蛋白；eNpHR3.0：第三代增强型嗜盐菌视紫红质；Mac：黄斑细球藻真菌视蛋白；oChIEF：带有I170V突变的哺乳动物密码子优化嵌合体E.F；SFO：步进函数视蛋白；SOUL，超高光敏度的步进函数视蛋白。

图1.病毒载体转染步骤。步骤1：基于实验需要构建合适的基因，包括：1)能够调控外源基因在特定组织部位或细胞中表达的启动子；2)表达光激活或光抑制视蛋白的基因；3)测试表达成功的报告基因。步骤2：制做包含上述基因组的重组腺相关病毒 (AAV) 颗粒。步骤3：确定目标脑区的位置参数，使用脑立体定位仪注射病毒。

CNS损伤被认为是世界范围内死亡和残疾的头号原因，为患者及其家庭带来沉重负担。最近，光遗传学在CNS损伤发病机制和临床应用方面展现出潜力（表2）。接下来，我们讨论了光遗传学目前在CNS损伤中扮演的角色，包括TBI、脊髓损伤（SCI）、卒中等方面（图2）。

TBI是一种全球普遍存在且具有高死亡率和慢性残疾的疾病。根据美国疾病控制与预防中心（CDC）记录，每天有超过611次TBI相关住院治疗和176次TBI相关死亡事件发生。根据2019年全球疾病负担（GBD）研究的结果，中度/重度TBI患者的数量高达37,505,338人。TBI包括原发性损伤和继发性损伤。与急性原发性损伤不同，继发性损伤会持续数分钟至数月。脑部机械性挫伤引起细胞外水肿，而血管和神经组织的剪切和撕裂导致缺血、出血以及细胞源性水肿，进一步损伤神经系统。随后的多因素生化级联反应导致了线粒体功能障碍，神经毒性效应，周围组织炎症，钙过载和氧化应激。这些造成了神经细胞的死亡并最终导致临床神经功能缺陷。此外，TBI相关并发症可出现在短时间内或几年以后，包含了创伤后癫痫（PTE）和认知损伤（如记忆缺失，情感改变）。

尽管光遗传学技术已经在神经科学领域广泛应用，但其在TBI研究上的应用仍处于萌芽阶段。目前，光遗传学在TBI研究中的作用可以被分成两种：实验工具和干预方法。与前者相比，在TBI中光遗传学的干预效应研究更加需要关注。

精确调控神经细胞的特性使光遗传学能够监测TBI后的神经活动。为了检查锥体神经元在胶质血管功能障碍中的作用，Adams等人对Thy1-ChR2小鼠进行了光刺激。他们使用植入电极进行电生理监测，诱导神经元反应。高低振幅表示神经元是否减少或受损。体内光遗传学运动图作为一种新方法，由Nguyen和同事首次使用来确定轻度TBI模型中皮层运动图的纵向变化。同时，他们还使用小鼠脑片进行离体钙成像，研究皮层兴奋性变化与运动缺陷之间的关系。重度TBI患者需要可靠的神经系统评估和监测设备，光遗传学可能为临床应用提供可能性。使用光遗传学在单细胞水平准确监测和记录神经回路及膜电位可能比当前的脑监测技术更具优势。尽管目前的光遗传学监测可能仅限于特定区域和回路，但它将补充现有的脑监测方法，以提供更好的神经功能损伤整体评估模式。

光遗传学已被应用于TBI模型中激活或抑制伽马氨基丁酸（GABA）能神经元和压后皮层神经元以调控神经活动。Ong等人用一种光遗传系统来探索Raf/ERK和AKT通路活化的精确时间点，影响其对氧化应激的保护作用。他们发现，在氧化暴露前立即通过光预处理激活Raf/ERK或AKT通路可以显著保护细胞。他们得出结论，光遗传学平台具有精准的时间控制和激活特定通路的能力，将成为研究细胞内抗氧化应激机制的理想选择。

PTE是TBI的常见并发症。已有报道使用光遗传学建立有效的癫痫模型。但目前仍缺乏PTE的动物模型。TBI后癫痫的发生率差异很大，且临床前模型难以建立。之前的方法是对创伤后的实验动物使用药物诱发癫痫，但这无法模拟自然发病机制。此外，现有模型的高死亡率限制了其在常规实验研究中的可行性。光遗传学可以与TBI动物模型协同建立更加自然和稳定的创伤后癫痫模型。此外，记忆和认知障碍作为TBI的复杂并发症，也可以通过光遗传学干预得到改善。例如，赵等人通过光刺激，使TBI小鼠齿状回中表达双皮质素（DCX）的新生细胞去极化。结果表明，光刺激可促进齿状回中这些细胞的存活和成熟，并显著改善了小鼠的认知缺陷。

令人惊讶的是，最近发现光遗传学疗法通过联合眼内注射编码ChrimsonR的AAV载体和可进行光刺激的护目镜，部分恢复了一个失明患者的视觉功能。该研究提供的心理物理学和神经生理学证据表明，通过与摄像机连接的光投影系统对人类视网膜神经节细胞进行光遗传学刺激可能是一种有希望部分恢复失明患者视力的方法。迄今为止，许多研究已经使用经颅磁刺激（TMS）、深部脑刺激（DBS）等技术干预TBI。类似地，光遗传学疗法将是一种新的TBI治疗方法，我们需要进行更深入的研究以确认光遗传学在TBI中的有效性。

SCI是一种毁灭性的疾病，通常由交通事故和意外跌落引起。全球SCI的发病率较高，尤其是在年轻男性中。根据国家脊髓损伤统计中心（NSCISC）的数据，参与者中将近一半（46.7%）的损伤发生在16至30岁之间。最近的评估显示，SCI年发病率约为每百万人口中54例，每年仅在美国就有大约18,000例新病例。

SCI的病理生理学与TBI相似，可被分为原发性损伤以及继发性损伤。外部冲击之后，创伤灶周围组织被一系列生化级联反应破坏。脂质过氧化，自由基产生，细胞凋亡以及大量信号分子的释放导致局部微环境改变，这些变化最终引起细胞死亡、神经炎症和胶质细胞反应。炎症细胞的迁移和炎症因子的释放会损坏常驻神经细胞并导致神经功能障碍。此外，这些细胞的反应表型通过沉积过量的神经抑制性硫酸软骨素蛋白聚糖（CSPGs）来修复受损的脊髓部位，参与损伤周围神经胶质瘢痕的形成。然而这一机制也使轴突难以再生，限制了神经功能的恢复。

临床上，针对SCI缺乏令人满意的治疗方法。干预SCI的目标包括减少神经细胞损伤和促进功能恢复。对此，光遗传学在SCI中展现出广阔前景。

SCI之后的炎症反应在继发性损伤中起到关键作用。成簇规律间隔短回文重复序列（CRISPR）CRISPR/Cas9系统可以敲低脊髓细胞中的相关基因，从而降低炎症细胞的活化和促炎因子的产生。例如，在小胶质细胞中敲除胶质细胞成熟因子（GMF），可以减少p38丝裂原活化蛋白激酶通路信号传导，从而限制小胶质细胞的活化。此外，还可以通过减少星形胶质细胞中的半胱天冬酶3（C3）的表达来缓解炎症反应。有趣的是，光遗传学技术也可以通过诱导细胞死亡来达到相同的效果。光遗传Bax（Cry2-mCh-BaxS184E）在蓝光照射后，可以被激活并特异性表达。类似于内源性线粒体凋亡途径，Bax诱导线粒体蛋白释放、下游C3剪切和细胞形态学变化，最终导致细胞死亡。减少小胶质细胞的M1表型可以通过插入CD86特异性启动子来实现。光遗传学同样也可以干扰胶质祖细胞的分化方向来减少小胶质细胞的产生。在蓝光照射下，表达ChR2的胶质祖细胞内游离Ca+浓度发生变化，使其分化为少突胶质细胞并促进受损轴突的修复。

最近，陈等人证明白细胞介素-10（IL-10）的抗炎作用可以通过植入编码抗炎因子IL-10的慢病毒到颈髓损伤部位来减轻SCI的继发损伤。此外，研究人员利用光遗传技术刺激受伤的颈髓，并进行电生理记录，成功验证了IL-10对神经运动回路的保护作用。这些结果表明，光遗传学治疗可以通过调节SCI中的炎症反应来减少对神经细胞的损伤。

SCI会导致患者脊髓的神经元死亡、脱髓鞘和轴突断裂，从而产生运动和感觉功能障碍。干细胞疗法作为一种替代治疗策略，通过组织修复、替代、再生、神经营养、促进血管生成、抗凋亡和抗炎来发挥作用。在这里，我们关注神经干/祖细胞（NSPCs）如何与光遗传学相结合来促进SCI功能恢复。

基于NSPC的治疗方案目前存在着一些问题，包括细胞活力低、分化能力有限和功能性植入少。NSPC在体内的严重副作用是致瘤性和不稳定性。现在，光遗传学提供了令人耳目一新的解决方案。Giraldo等人报道，光刺激异位过表达ChR2的脊髓源性神经前体细胞（ChR2-NPCs）可以促进增殖速率并加快功能性神经细胞在体外的成熟。具体而言，光刺激使阳离子进入细胞，并诱导NPCs向少突胶质细胞和神经元分化。虽然不影响星形胶质细胞的分化，但阳离子促进其从促炎表型向促再生/抗炎性表型的极化。在神经元替代治疗中，诱导NSPC分化产生的新神经元需要重新生长神经突与其他神经元建立连接，以进一步激活并整合到功能性神经网络中。表达ChR2的NSPCs及其衍生的神经元在蓝光刺激下表现出神经突生长、轴突延伸和分支的能力。由于无法接受来自下行纤维的信号刺激，NSPCs和新植入的神经元在SCI中很难被激活和再生。光遗传学相当于为这些细胞提供了替代CNS的外部刺激。NSPCs在损伤部位局部增殖和激活，但损伤后形成的瘢痕组织及其抑制因子在物理和生化上阻止这些细胞修复受损的神经组织。

Dias等人通过光遗传学阐明了减少SCI后瘢痕组织形成可增加皮质脊髓束轴突再生以及改善感觉运动功能。这项研究进一步说明了干细胞疗法去除瘢痕组织对SCI预后具有重要意义。NSPCs是植入在SCI伤灶并在伤灶间产生神经元中继，从而提供功能性恢复。然而，鲜有研究探讨这些移植物是否能够局部形成突触网络，并在空间上精准连接已有的神经网络。光遗传学结合钙成像技术可以基于自然生理条件量化和评估干细胞治疗效果，而不是通过简单的运动和感觉刺激对神经恢复进行粗略评估。

光遗传学联合干细胞疗法可以促进脊髓周围神经系统的运动回路重建和功能恢复。此外，单独应用光遗传学同样可以改善脊髓损伤的功能预后。中枢神经系统的再生能力有限。人们已经研究了各种促进神经生长的物理和生化方法，包括电刺激和神经营养因子。然而目前来看，由于电刺激法缺乏细胞特异性并且会使神经元快速疲劳，光遗传学完全可以作为一种新型刺激疗法取代电刺激。研究发现，表达ChR2的脊神经背根神经节（DRG）在光刺激下神经突生长能力可得到增强。此外，研究人员观察到神经生长因子（NGF）和脑源性神经营养因子（BDNF）的表达增加。光敏DRG光刺激后还诱导了附近野生型DRG（WT-DRG）的神经突定向生长。

同样，邓等人发现SCI大鼠初级运动皮质（M1）谷氨酸能神经元的活化可以有效地促进组织修复以及伤灶周神经纤维生长。此外，损伤部位中一些生长相关蛋白（BNDF，NGF）的含量也明显增加。在这项研究中，研究者考虑了脑和脊髓的关系。另外，他们基于以往关于SCI后M1神经元与运动功能联系的研究，开创性地选择光刺激谷氨酸能神经元，这表明M1谷氨酸能神经元可能在SCI后的运动恢复中发挥至关重要的作用。

SCI后恢复神经功能的另一种方法是直接用外部刺激替代下行纤维信号以激活剩余的神经元。传统方法我们称之为功能性电刺激（FES），已经成功地用于帮助患者恢复呼吸、上肢和下肢功能、肢体运动以及膀胱和肠道控制。然而，这种电刺激系统存在技术缺陷和实践限制。随着光遗传学的快速发展，它将有望逐渐克服SCI刺激疗法中的上述限制。光遗传学的细胞选择性激活适合控制微小肌肉运动，更有助于生理性恢复神经功能。同时，对于肌肉疲劳性，光遗传学可以通过在激活任何快速疲劳纤维之前激活抗疲劳纤维来延迟疲劳。Petersen等人利用化学遗传学和光遗传学的组合方法，通过光刺激恢复了脊髓挫伤大鼠的运动功能。

生物发光——光遗传学（简称BL-OG）是一种最近开发的光遗传学方法，利用生物发光来激活视蛋白并打开离子通道。在一项研究中，BL-OG中使用的光遗传学元素包括生物发光荧光素酶、发光视蛋白（LMO）以及通过特定酶底物（腔肠素[CTZ]）的分解产生生物发光。BL-OG的光刺激由注射CTZ来控制。大多数SCIs是挫伤性的，意味着损伤部位下方的神经组织是完好的。然而，由于缺乏下行纤维的刺激，这些完全连接的神经元进入静止状态，导致患者出现运动功能障碍。最后，研究人员发现，在损伤水平以下激活任何一组神经元群都显著改善了运动恢复。他们认为，BL-OG介导的SCI后恢复主要依赖于光遗传学诱导的神经可塑性、神经网络的维持和炎症状态的改善。总而言之，光遗传学在SCI中具有极高的应用价值，特别是与其他治疗策略相结合时。

由于大脑、脊髓和周围神经系统之间的解剖结构不同，大脑的光遗传学设备并不适合脊髓和周围神经系统。但Montgomery等人开发的植入式无线光遗传学设备不需要额外的修改，并且适用于脊髓和外周神经环路。他们的研究表明一种同时适用于中枢和周围神经系统的光遗传学设备的可行性。

最近，Mondello等人为大鼠脊髓光遗传刺激设计了一种微型LED植入物。尽管这是一个有线设备，但它具有操作简便，成本低廉的优势。此外，它能够在植入后至少6周内诱导粗运动，而不会对下方的脊髓造成物理或热损伤。Kathe等人报道了一种无线闭环光遗传学操作系统，可以实现超快速、无线、闭环操作小鼠背腹脊髓中的目标神经元和通路。这个系统类似于Yang等人报道的多边无线设备。它包括一个无线供电平台、可伸展的柔性材料和微型LED阵列。微型LED被集成在柔软可伸展的载体上，并与硬脊膜相贴合。微型LEDs表面的硅-磷基质包被提供了机械保护和光转变，并且与广泛的视蛋白家族相容。无线供电平台还可以感知生理信号并处理，以控制闭环中的光刺激。利用该设备，他们揭示了不同的神经元亚型、感觉通路和脊髓上行投射在控制健康和SCI小鼠运动中的作用。

在SCI中应用光遗传学，合适的设备尤为重要，特别是对于进行SCI后长期功能恢复的体内实验。此外，光遗传学在SCI中的临床前景也依赖于稳定和安全的操作系统。一个可长期植入且不影响正常脊髓活动的完善的光遗传学设备对未来的SCI研究一定是必要的。

卒中是全球第二大死亡原因，每年影响全球1370万人。据估计，至2030年，将有340万美国成年人患有卒中，占全美成年人口的3.9%。

缺血性卒中后供血不足可导致多种复杂的病理生理变化。脑组织缺血导致细胞缺氧、缺糖，进而出现细胞坏死；细胞能量代谢无法正常生产ATP，细胞膜和细胞骨架进而迅速崩解。神经元细胞无法维持正常的离子梯度，Ca+/Na+内流引起的神经元去极化导致许多兴奋性氨基酸（主要是谷氨酸）释放，它们与细胞内谷氨酸受体结合，进一步促进Ca+内流并启动细胞凋亡和坏死相关通路。兴奋性毒性和钙超载都是缺血性细胞死亡早期阶段的重要因素。细胞内钙离子增加会引发线粒体功能障碍和自由基释放，导致细胞损伤或凋亡。

此外，免疫细胞也对缺血性损伤做出反应。从初期小胶质细胞增加到树突状细胞、巨噬细胞和淋巴细胞的增加，血脑屏障进一步受损，中性粒细胞逐渐进入梗死区和周围区域。免疫细胞释放促炎细胞因子、自由基和诱导型一氧化氮合酶（iNOS），进一步增强炎症反应和细胞损伤。然而，这些炎症细胞并不总是具有破坏性。它们有助于清除细胞残骸和受损组织，随后的表型改变（例如巨噬细胞）会减少其吞噬和产生炎症因子的能力。因此，卒中后炎症反应的平衡对于治疗和康复至关重要。针对复杂的损伤途径，目前临床上对急性卒中的治疗主要集中在恢复血流和神经保护上。

越来越多的研究致力于卒中患者的神经重塑和功能改善。研究表明，卒中后的神经网络可以通过重新建立连接进以实现功能恢复。光遗传学在研究神经回路重组及其与功能恢复的关系方面显示出优势。这一技术极大地提高了研究人员发现更多干预靶点的能力。

尽管在剩余神经元之间形成新连接可以重组脑网络，但这种自发重组往往无法将神经功能恢复到受损前的水平。突触周围神经元活动的相对时间对于促进可塑性至关重要。通过神经刺激，有可能引发神经元放电之间的因果时序。重复刺激、配对刺激和闭环刺激这3种刺激模式都旨在诱导突触前和突触后神经元中的一致性活动。最终，这些刺激会诱导希伯来峰时间依赖可塑性。因此，神经刺激可以增强卒中后的神经可塑性并促进功能恢复。

令人鼓舞的是，利用光遗传学进行神经刺激，可以选择性地激活或抑制特定亚型的神经元，其精度更高，具有的应用潜力更大。例如，Cheng等人短暂栓塞小鼠的大脑中动脉，使纹状体（Str）和体感皮层（S1）梗死，同时使用光遗传学选择性刺激同侧初级运动皮层（iM1）第5层神经元。他们发现刺激iM1的神经元可以激活梗死周围区域和对侧运动皮层，并且反复刺激iM1神经元可以增强卒中小鼠的脑血流和神经血管耦合（NVC）。结果表明，选择性刺激iM1神经元可能有助于神经重塑。通过定量聚合酶链反应（qPCR）和Western blotting技术，研究人员发现反复刺激可以增加卒中小鼠神经营养因子（BDNF、NGF和NTF3）的表达，并且生长相关蛋白43（GAP43）的显著表达表明卒中后神经刺激可以增强突触可塑性。最后，他们通过感觉-运动行为实验（转棒试验）和监测卒中小鼠的体重变化，证明刺激卒中半球的神经元可以促进功能恢复。

基于这项研究，Mirza Agha等人研究了小鼠卒中后基底核胆碱能投射在体感皮层前肢区域功能恢复中的作用。研究表明，基底前脑胆碱能系统作为神经调节系统的重要组成部分，在突触可塑性、行为状态控制和认知功能中发挥重要作用。乙酰胆碱（ACh）与大脑皮层可塑性相关，他们进一步研究了卒中后乙酰胆碱在皮质恢复/可塑性中的作用。在急性恢复期每天刺激基底核胆碱能（NB）神经元，通过局部场电位（LFP）记录和更全面的行为测试，他们发现刺激基底核能促使ACh释放增加，并促进卒中小鼠的运动恢复，但感觉运动整合障碍并没有改善。这一有趣的结果表明，改善卒中后小鼠的体感皮层前肢区域功能是有助于其前肢的运动行为恢复，并且上调ACh可能是卒中急性恢复阶段的新治疗策略。

对于运动辅助区域，研究表明调节脑损伤对侧大脑半球的运动辅助区可能对卒中患者的功能恢复有积极意义。啮齿类动物的前外侧运动皮层是一个重要的运动辅助区，其功能与人类的前运动皮层相似。对侧前外侧运动皮层（cALM）的激活和抑制已被证明会直接影响运动行为。Gao等人进一步研究了cALM在卒中治疗中的意义。他们使用ChR2和NpHR光敏蛋白来激活或抑制cALM中的神经元，并发现光抑制和光激活cALM都能减少神经功能缺陷评分。光抑制增加了缺血侧M1区的树突长度、树突棘和穿孔突触，而光激活增加了缺血侧M1区突触小体和树突交叉点的数量。结果表明，光遗传学刺激cALM能促进卒中后缺血侧初级运动神经元的重组，并减少神经功能缺陷。此外，cALM的激活和抑制对神经可塑性有着不同的影响。

光遗传学对急性卒中的积极作用也为未来治疗急性卒中提供了新选择。Bo等人证明了在急性卒中中特定神经元的调控具有神经保护作用并减小梗死面积。他们利用光遗传学激活顶叶皮质卒中小鼠模型的同侧感觉运动神经元。之后，他们通过激光散斑对比成像（LSCI）测量了基线、卒中后0小时、2小时和24小时的脑血流（CBF）图像变化。此外，在卒中后24小时测量神经血管反应，以检查神经元特异性兴奋的效果。结果是，在卒中的急性阶段，同侧感觉运动皮层的神经元特异性兴奋可以减少缺血区的扩大并改善神经血管反应。组织学和行为结果也一致证实了神经兴奋性对急性卒中的神经保护作用。缺血性卒中后NVC一般会受损，而NVC功能的改善与卒中康复密切相关。

另一项研究中，Bo等人在细胞水平上深入研究了缺血性卒中急性期的NVC功能。他们发现，在卒中后兴奋性光刺激感觉运动神经元时，区域脑血流（rCBF）反应立即降低。此外，这些反应与离缺血中心的距离相关，而与静息CBF的变化无关。结果还明确表明，对缺血半暗带周围的神经元进行兴奋性刺激可以促进NVC恢复，而缺血后24小时刺激梗死区周围的神经元则无法恢复神经血管功能。这意味着缺血半暗带边缘的完整区域可能是兴奋性刺激的靶区。类似的研究还表明，在体内和体外的急性卒中模型中，通过光遗传兴奋性刺激神经元可以增加神经元存活率、增强神经血管反应、减小病灶大小并改善运动功能。

光遗传学作为慢性恢复期的一种干预手段，也展现出了积极的治疗效果。尽管选择性刺激感觉运动皮层神经元在卒中模型中具有神经保护和神经重塑作用，但确切的分子机制仍不清楚。在上述研究中，研究人员试图提出一些假设，但都未得到验证。更多的机制研究可能提供更丰富和精确的干预靶点。此外，卒中后干预皮层神经元的最佳时间仍需探讨，血流动力学变化或许是需要考虑的因素之一。

在SCI模型中，光遗传刺激NSPCs可诱导其分化、增殖和再生。但在卒中模型中神经干细胞是否能出现相似的效应还需要证明。Daadi等人使移植的神经干细胞表达ChR2（NSC-ChR2），将其转移至大鼠Str缺血周围区域，并给予定期光刺激。通过差异基因表达分析，研究者发现NSC-ChR2接受光刺激后上调了神经递质、神经元分化、神经再生、轴突导向和突触可塑性相关的转录本。相反，参与炎性反应的基因显著下调。行为学分析也表明卒中大鼠的运动功能得到改善。在这项研究中，他们证明兴奋性刺激外源性NSCs通过旁观者效应和细胞替代两种模式促进卒中后神经网络修复。Yu等人在体内和体外实验中采用光化学遗传学去刺激诱导多能干细胞源的神经祖细胞（iPS-NPCs）。同样，他们发现表达LMO3的iPS-NPCs（LMO3-iPS-NPCs）在光或CTZ的激活下构建了一个活性丰富的组织微环境并改善了神经连接性。

此外，内源性策略也是干细胞治疗的主要方向之一，该策略专注于动员和产生现有的神经干细胞。室下区（SVZ）和海马回被认为是产生神经干细胞的主要区域。使用神经调节物质（如BDNF、胰岛素样生长因子-1）可以刺激NSPCs增殖并迁移至损伤部位。Song等人使用光遗传学来刺激小鼠Str中的谷氨酸能神经元释放谷氨酸到SVZ。他们观察到SVZ中的神经母细胞增殖并迁移至小鼠梗死周围皮层，同时神经元分化增加且长期功能恢复得到改善。在SVZ中，由谷氨酸能神经元释放的谷氨酸通过α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPARs）激活神经母细胞，从而促进钙离子内流、细胞增殖。

Lu等人通过体内和体外实验发现，抑制Str神经元可以减少GABA能神经元的旁分泌，从而改善位于Str周围梗死区的外源性神经干细胞的存活。此外，对Str神经元进行光遗传抑制可以增加SVZ和梗死周围区域中Nestin+、BrdU+/Doublecortin+和BrdU+/NeuN+细胞的数量，促进内源性神经干细胞的增殖、迁移和分化。然而，研究人员并未继续探索选择性干预GABA能神经元对内源性神经干细胞的影响。尽管GABA能神经元构成了Str中大部分的中棘神经元（MSNs），但选择性光激活或光抑制GABA能神经元与非选择性的结果是不同的。选择性光抑制Str中GABA能神经元会导致SVZ中的NSCs显著增加，但神经祖细胞/神经前体细胞的结果则相反。在卒中亚急性期对GABA能神经元的选择性干预并未改善神经发生，这可能与Str中兴奋性和抑制性的信号失衡有关，但具体原因和详细机制仍需进一步证明。

旁观者效应通过调节组织微环境促进神经组织的自发再生。然而，由于许多卒中患者（老年人）细胞可塑性和自我修复能力下降，这种效应可能并不实用。细胞替代可更好地支持损伤脑区的可持续恢复，并且可能是一种更有效的治疗方法。

小脑深核中的小脑外侧核（LCN）通过齿状核-丘脑-皮质通路向皮层的运动、前运动、体感和非运动区域发送兴奋性输出。先前的研究表明，刺激（例如电刺激）齿状核-丘脑-皮质通路可以增强对侧皮质的兴奋性，促进卒中后的功能恢复。光遗传刺激健侧LCN（cLCN）神经元可以通过传出路径向前脑的运动和感觉区域发送兴奋性信号。接受光遗传刺激后，皮层卒中的小鼠在行为测试中表现出显著的功能改善。这种促恢复作用是持久的，即使在停止刺激2周后仍然保持改善。此外，同侧体感皮层中的GAP43和健侧M1中的神经元一氧化氮合酶（nNOS）分别显著增加和减少，共同促进了卒中皮层的恢复。

丘脑-皮质通路作为一条传入回路，通过丘脑内部的传入纤维将感觉诱发的活动信号传递到皮层。尽管丘脑在上游回路中对处理和传递感觉信息至关重要，但大多数关于卒中后感觉运动康复的研究都集中在皮质回路上。人们很少关注丘脑-皮质回路在卒中后恢复过程中的作用。通过对卒中小鼠模型进行钙离子成像，Tennant团队证实前肢感觉皮层的卒中会导致梗死周皮质的轴突突触连接丢失并长期抑制幸存的丘脑-皮质回路的兴奋性。随后，研究人员对丘脑-皮质轴突进行慢性光遗传刺激。他们的研究表明，兴奋性刺激促进了新的丘脑-皮质突触束的形成。这些突触束保持稳定，感觉运动功能的改善在停止刺激后仍然持续了很长时间。此外，有趣的是，对丘脑-皮质回路进行闭环光遗传控制（光抑制）还可以控制由皮质卒中引起的癫痫发作，为卒中后难治性癫痫提供了新的思路。

睡眠与卒中之间存在着强烈的双向联系。卒中后的大脑结构和功能变化可能会对睡眠产生负面影响，而睡眠也可能在促进功能恢复方面发挥关键作用。实验证据表明，非快速眼动（NREM）睡眠中的慢波（SWs）可能在自发睡眠期间增强大脑可塑性，并改善卒中后的功能恢复。

Facchin等人研究了光遗传学诱导的慢波睡眠在缺血性卒中动物模型中的作用。首先，他们注意到在卒中小鼠模型中，同侧NREM睡眠中SWs的波幅和斜率都减小。接下来，他们将锥体神经元转染ChR2和Arch，使局部皮层处于上调（膜去极化）或下调（膜超极化）的状态，模拟了小鼠自发NREM睡眠期间的SWs。最终，结果表明在睡眠期间于梗灶周区域光遗传诱导的单慢波（SWopto）可以促进局部和健侧的轴突萌发，显著改善与卒中部位相关的精细运动。然而，清醒状态下的SWopto没有效果。这些研究成果证明了SWs在卒中后的皮质回路可塑性和感觉运动恢复中有所作用。这为利用光遗传学方法优化卒中后睡眠康复策略展现了良好的前景。

在一些神经退行性疾病和中枢神经系统损伤中，如果为患者提供环境富集（EE）刺激，那么患者的认知与运动功能可以得到改善。目前，研究已经证明EE可通过增强神经网络的兴奋性来促进卒中康复。虽然利用EE的过程很复杂，但它已成为卒中患者可选择的一种康复策略。光遗传学、电生理学、化学遗传学和其他方法与EE的结合加深了对EE在康复中作用机制的理解。

图3.经皮质刺激策略。在向目标脑区注射携带高灵敏度视蛋白基因的病毒载体和能够将红外光转换为可见光的上转换纳米颗粒后，将一个发射近红外光的微型设备固定在头骨中。近红外光穿过脑膜和其他脑组织，最终通过上转换纳米颗粒激活或抑制目标脑区表达视蛋白的神经细胞。

通讯作者简介

马驰原 教授

东部战区总医院

主任医师、教授，东部战区总医院神经外科学科带头人、科室主任，医学博士、博士后，博士生导师、博士后联系导师

兼任中华医学会神经外科学分会全国青年委员会副主任委员、中国医师协会神经外科医师分会委员会全国委员、国家卫健委脑出血外科诊疗能力提升项目专家委员会青委执行主委等职务

入选江苏省333人才、江苏省“六大高峰人才”、江苏省医学重点人才等

先后于美国Barrow神经科学研究所、美国UPMC神经外科神经内镜中心、美国麻省总医院神经内分泌中心、澳大利亚新南威尔士大学交流访问

先后主持国家自然科学基金、中国博士后基金、江苏省“六大人才高峰”课题、江苏省社会发展面上项目等

先后获得王忠诚中国神经外科青年医师奖、全军医疗成果二等奖、教育部科技进步一等奖、江苏省卫生厅新技术引进奖等

以第一作者和通讯作者发表SCI及核心期刊论文60余篇，获得国家专利8项，主译《经鼻内镜颅底肿瘤手术学：多学科合作》，参与编著《神经外科手术彩色图解》、《内镜颅底外科手术入路》、《脑膜瘤》、《颅底脑膜瘤》等专著

高国一 教授

首都医科大学附属北京天坛医院

首都医科大学附属北京天坛医院创伤神经外科主任

神经外科教授，主任医师，博士研究生导师

中华创伤学会全国委员会委员

中华创伤学会神经损伤专业委员会副主任委员

中国神经外科医师协会颅脑伤专家委员会副主任委员

中华医学会神经外科学分会颅脑伤专业组副组长

世界神经外科联合会（WFNS）颅脑创伤委员会现任委员

Journal of Neurotrauma杂志亚太区编辑

承担多项国家级课题，在Lancet Neurology、Eclincalmedicine等杂志发表论著，获国家科技进步二等奖（排名第7）