在光遗传学中使用多色可见光对多个神经元集群进行独立的调控可以实现对于复杂的大脑功能和行为的解析。由于可见光对颅骨脑组织的穿透能力较弱，实验中往往需要植入光纤给光。基于近红外光可激发的稀土上转换纳米颗粒（UCNPs），则能够在深组织穿透下避免光纤植入的侵入性。传统的单色光UCNPs及其混合材料，在单一波长的红外光激发下，具有共生的多重波长发射，不可避免的导致一种近红外波长的激发产生多个可见区谱带的发射峰，从而由其介导的多色光遗传学对多重神经元集群进行调控时会存在干扰，无法实现独立控制。

化学系张凡教授研究团队和复旦脑科学研究院的张嘉漪教授合作开发了发了激发波长特异性响应的三色发射上转换纳米颗粒。该材料具备将808 nm，980 nm，1532 nm三种近红外光转化为一一对应的540 nm绿色，475 nm蓝色以及651 nm红色发射的能力。并且三组激发-发射波长互不干扰。由此得到的近红外上转化系统，可以对应激活ChR2，C1V1，ChrimsonR三种具有蓝、绿、红波长活性的光遗传通道蛋白。通过基因编码与表达，可以产生对PV，CamKIIα，SOM神经元集群的选择性神经信号刺激响应。选择性的刺激方式具有各个通道的强度独立可调性，团队进一步以双通道透颅刺激小鼠的运动皮层脑区的方式，实现了对小鼠的运动行为的光调控。这种三色独立正交的上转换材料与独立刺激神经元产生响应的方法为神经科学的信号通路研究提供了新的工具，有助于脑科学种关于动物行为神经调控的研究发展。该研究成果以“Near-infrared Manipulation of Multiple Neuronal Populations via Trichromatic Upconversion”为题在线发表于《自然··通讯》 (Nature Communications, 2021, 12:5662)。化学系博士生刘玄和脑科学研究院的陈鹤鸣、王依婷三位同学为共同第一作者。

该工作得到了复旦大学化学系、复旦大学先进材料实验室、聚合物分子工程国家重点实验室、上海市分子催化与功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金杰出青年基金、上海市科学技术委员会重点基础研究项目。

图1. （a）三色正交稀土上转换纳米颗粒介导多通道神经元独立调控方法示意图。（b）三色正交稀土纳米颗粒与传统稀土上转换纳米颗粒混合物的结构与激发发射波长。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25993-7