該研究結果定義了一種可推廣的方法，用於在行為過程中針對目標細胞之間的聯合生物範圍相互作用的非侵入性、時間精確的功能研究。
情緒狀態會影響身體的生理機能，例如焦慮會導致心跳加快的自上而下的過程。然而，心率加快本身是否會引起焦慮或恐懼反應尚不清楚。一個多世紀前提出的情緒生理學理論認為，一般來說，從身體到大腦可能有一種重要的、甚至占主導地位的信息流。
2023年3月1日，斯坦福大學Karl Deisseroth團隊在Nature 在線發表題為“Cardiogenic control of affective behavioural state”的研究論文，為了正式測試這一想法，該研究開發了一種非侵入性光遺傳起搏器，用於在自由活動的小鼠中精確地、針對細胞類型的控製心率，最高可達每分鍾900次，通過可穿戴的微型LED背帶和有效的泵狀通道視紫紅質的全身病毒輸送來實現。該研究發現光學誘發的心動過速有力地增強了類似焦慮的行為，但關鍵是隻有在危險的環境下，這表明中樞(大腦)和外圍(身體)過程都可能參與情緒狀態的發展。
為了確定潛在的機製，該研究使用全腦活動篩查和電生理學來尋找被施加的心髒節律激活的大腦區域。該研究發現後島葉皮層是自下而上的心髒內感受處理的潛在中介，並發現對該大腦區域的光遺傳抑製減弱了由光心髒起搏誘導的焦慮樣行為。總之，這些發現表明，身體和大腦的細胞必須一起考慮，才能理解情緒或情感狀態的起源。更廣泛地說，該研究結果定義了一種可推廣的方法，用於在行為過程中針對目標細胞之間的聯合生物範圍相互作用的非侵入性、時間精確的功能研究。
內髒生理信號的內感處理，如心悸或胃飽，對維持體內平衡至關重要。多種精神疾病，如焦慮障礙、恐慌障礙、身體畸形障礙和成癮，已被假設與大腦的內感受監測失調有關，並可與特定內髒器官功能障礙在統計上相關。例如，恐慌症和廣場恐怖症患者更容易出現二尖瓣脫垂或類似陣發性室上性心動過速的臨床症狀。現代相關研究進一步表明了心髒變化與情緒調節之間的聯係，包括心髒內感受與焦慮和島葉皮層功能改變之間的相關性，島葉皮層是一個在生理信號處理和情緒調節中都起核心作用的皮層區域。
經典的情緒生理學理論中提出的，諸如心率加快等主要生理信號是否會對行為狀態產生因果影響，盡管存在廣泛爭議，但在很大程度上仍是實驗上難以解決的問題。眾所周知，現有的可能幹擾心髒信號的非特異性幹預措施(如迷走神經電刺激)也會引起許多在這種情況下不需要的生理變化，包括直接抑製呼吸和心率以及抗焦慮和抗抑鬱作用。心髒生理學如何調節情緒狀態的關鍵問題仍然無法研究，對行為的影響仍然未知。
開發一種無創光學起搏器(圖源自Nature )
在體內對心髒和其他外周器官中的電化學信號進行精確的調節將使生理學和內感受信號的基礎研究成為可能，但在高動態環境(如跳動的心髒)中具有高空間和時間精度的刺激方法是有限的。電起搏器需要侵入性手術植入，以提供缺乏細胞類型特異性的局部無差別刺激。光遺傳學在原則上可能促進具有高空間和時間精度的心肌細胞特異性控製，但現有的光遺傳學方法僅限於需要暴露甚至切除心髒以傳遞光的急性演示，所有這些都與自由移動的行為研究不兼容。到目前為止，沒有一項超越大腦的研究實現了對行為或生理功能的精確和非侵入性器官水平的控製。建立具有細胞類型特異性的非侵入性方法來操縱生理學，將使長期尋求的從整個有機體的細胞中產生的信號的功能研究成為可能，並揭示這些細胞對大腦功能和行為的因果影響。
傳統的微生物視蛋白還不夠敏感，無法控製像心髒這樣的大器官，並具有促進完整動物內行為研究所需的能量，但高靈敏度和紅移泵狀通道視紫紅質ChRmine的發現，使研究人員考慮到在最小輻照下對深層組織進行無創光遺傳控製的潛力。ChRmine能夠在不需要顱內手術的情況下對深部腦回路進行神經調節，這提高了這種光遺傳學工具廣泛適用於調節哺乳動物等大型生物的整個身體的生物過程的可能性。具體來說，研究人員假設當ChRmine靶向心肌細胞時，可以在不需要直接暴露心髒的情況下，實現心髒起搏的按需深層組織控製。
全腦篩查光誘導心動過速激活的區域(圖源自Nature )
該研究開發了一種非侵入性光遺傳起搏器，用於在自由活動的小鼠中精確地、針對細胞類型的控製心率，最高可達每分鍾900次，通過可穿戴的微型LED背帶和有效的泵狀通道視紫紅質的全身病毒輸送來實現。該研究發現光學誘發的心動過速有力地增強了類似焦慮的行為，但關鍵是隻有在危險的環境下，這表明中樞(大腦)和外圍(身體)過程都可能參與情緒狀態的發展。
為了確定潛在的機製，該研究使用全腦活動篩查和電生理學來尋找被施加的心髒節律激活的大腦區域。該研究發現後島葉皮層是自下而上的心髒內感受處理的潛在中介，並發現對該大腦區域的光遺傳抑製減弱了由光心髒起搏誘導的焦慮樣行為。總之，這些發現表明，身體和大腦的細胞必須一起考慮，才能理解情緒或情感狀態的起源。更廣泛地說，該研究結果定義了一種可推廣的方法，用於在行為過程中針對目標細胞之間的聯合生物範圍相互作用的非侵入性、時間精確的功能研究。
原始出處：
Hsueh， B.， Chen， R.， Jo， Y. et al.Cardiogenic control of affective behavioural state. Nature (2023). https：//doi.org/10.1038/s41586-023-05748-8.
