Nature子刊解读！揭示光激活大脑神经元表达的分子机制！

2021年2月28日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，一篇刊登在国际杂志Scientific Reports上题为Competition between cyclization and unusual Norrish type I and type II nitro-acyl migration pathways in the photouncaging of 1-acyl-7-nitroindoline revealed by computations”的研究报告中，来自佛罗里达科技大学等机构的科学家们通过研究揭示了光如何激活大脑神经元。人类大脑中平均有860亿个神经元细胞，这些神经元细胞在称之为突触的连接处相互连接，有些神经元有多达10000个这样的突触，而理解大脑功能的关键就是更好地理解这种复杂神经元的非逻辑排列是如何导致特性行为和认知功能的，包括记忆的存储等。

将化学应用于神经生物学技术相结合起来的研究进展就使得科学家们能利用光来作为激发器，从而通过激活选择的突触来开启特定神经元的表达；而能有效束缚诸如谷氨酸（学习和记忆的关键分子）等活跃分子的化学基团则能通过使得神经信号处于关闭状态来帮助控制神经信号；按需靶向性的光能够释放出开启神经元的活性分子，从而就能开启研究人员感兴趣的通路，这一程序成功的关键在于其依赖于光在破坏分子键方面的功效。此前，研究人员对于光能诱导释放称之为硝基吲哚啉基（NI）的某一类分子的精确机制知之甚少，这类分子代表了一些最有效的光反应分子。

图片来源：Florida Institute of Technology

如今，研究人员已经能够精确地进行计算研究，并能详细揭示键的断裂如何释放活性分子；这对于未来能够设计出调节大脑信号的其它分子是非常有价值的，这种对光诱导这类化学键裂解能力的更为广泛的理解将能导致对光更为敏感的系统被构建，而且该系统的构建需要较少量的药剂，从而就能最大限度地减少对其它相邻神经元的任何干扰。文章第一作者Pierpaolo Morgante说道，得知有两种途径能够发生这种过程时我们非常高兴，当我们发现此前的文献中对这种途径描述的有些混乱时，我感到非常惊讶，于是我就开始深入研究理解这一机制，当然在研究的过程中我也发现了一些不寻常的东西。

研究者Peverati补充道，我们的方法及其相关的软件有能力通过模拟包含在其中的每个电子的行为，可靠地预测参与这一途径的分子的能量；我们所开发的程序能够帮助我们阐明在专业文献中引起大量争论的一种机制；而且从该软件中得到的预测与Nesnas博士所进行的实验结果相吻合，这就进一步验证了我们所开发的方法的可靠性；相关研究结果给了科学家们很大信息，未来他们就能利用这种计算机软件来预测对光反应更灵敏的新分子，从而就能用来研究神经元的功能了。

研究者指出，近年来，光作为在神经科学研究中使用的一种强大的工具，而他们注意到，有一种不寻常的途径能将两个众所周知的光化学过程结合在一起，这在之前从未被观察到同时发生过，而本文研究首次发现了这一过程，这或许是光化学研究领域一项令人兴奋的发现。相关研究结果或能帮助理解复杂的大脑网络，从而帮助阐明难以捕捉的大脑疾病背后的可能性原因，比如阿尔兹海默病、癫痫症、抑郁症和其它大脑疾病等。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Morgante， P.， Guruge， C.， Ouedraogo， Y.P. et al. Competition between cyclization and unusual Norrish type I and type II nitro-acyl migration pathways in the photouncaging of 1-acyl-7-nitroindoline revealed by computations. Sci Rep 11， 1396 (2021).doi：10.1038/s41598-020-79701-4

【2】Study explains how light could activate neurons

by Adam Lowenstein， Florida Institute of Technology