光遺傳學技術是目前神經科學領域應用最為廣泛的技術之一，透過光啟用或抑制神經元活性實現對行為的精準調控。然而，光啟用或抑制實驗只能分別進行。
如果要實現同時光啟用和抑制神經元，那就需要兩種光敏蛋白同時表達在同一型別神經元上，保證兩種視蛋白的有效膜運輸、幾乎同等比例分佈在亞細胞結構上，並且還需要確保啟用和抑制效應儘可能不會相互影響。
目前已有研究開發了兩種策略實現同一表達：透過2A肽核糖體跳躍序列成功實現將興奮性視蛋白和抑制性視蛋白表達在同一型別神經元上，但表達的比例不均。另外一種方法就是透過將兩種視蛋白編碼在同一閱讀框內，實現1比1比例共定位表達在同一型別神經元上。
儘管這兩種策略能夠有效將兩種視蛋白表達在同一型別神經元上，但是藍光刺激的光強度需要避免啟用紅移視蛋白，因此這就需要在很窄的光譜中進行。
2021年7月26日德國漢堡-埃彭多夫大學醫學中心J. Simon Wiegert研究團隊開發了一種雙色、雙向調控的光遺傳學工具BiPOLES，能夠廣泛應用於神經科學研究中。
篩選符合實驗要求的視蛋白
研究人員將不同的藍光敏感的視蛋白和紅光敏感的視蛋白透過不同的連線結構融合成新的視蛋白，隨後透過人胚胎腎細胞離體篩選發現藍光啟用的GtACR2和 紅光啟用的Chrimson融合而成的BiPOLES，在不同的激發光通道均表現出最大光電流密度、抑制性陰離子和興奮性陽離子電流在峰值上具有最大的光譜分離。
為進一步驗證BiPOLES的特性，他們將BiPOLES感染到大鼠海馬CA1腦區錐體神經元后，也發揮類似在人胚胎腎細胞中優異的光電特點。
改造BiPOLES，使其表達在胞體周圍
令人意外的是，BiPOLES除了分佈在胞體之外，部分進入細胞核周圍。隨後，研究人員在BiPOLES基礎上添加了一個外掛：C 端 Kv2.1 轉運序列後形成somBiPOLES，僅表達在細胞體和近端樹突上，修復了BiPOLES的bug。
在490nm波長的藍光刺激表達somBiPOLES的神經元后，能夠快速抑制神經元活性；在595nm（橙色）和635nm（紅色）波長光刺激下，能夠啟用神經元。即便是與目前最先進的雙色啟用和抑制的視蛋白eNPAC2.0相比，也絲毫不遜色。
somBiPOLES有哪些應用場景呢？第一：同時調控同一位置的不同型別神經元；透過病毒載體工具將somBiPOLES表達在海馬CA1區域的表達血管活性腸肽（VIP）神經元上，將藍光敏感的視蛋白CheRiff表達在CA1區域的中間能神經元上。
460nm的藍光刺激可引起中間能神經元的興奮性突觸後電流，但對VIP神經元電流無影響；635nm的橙光刺激可引起VIP神經元的突觸後抑制性電流，但對中間神經元無影響。
第二：透過雙光子顯微鏡實現雙向調控同一型別神經元。當雙光子激發波長在980nm以下後，可產生類似於單光子波長的藍光；在980nm以上可產生類似於單光子的紅光波長。因此可透過調整雙光子激發的波長範圍，實現對同一種類型神經元的啟用或抑制效應。
somBiPOLES雙向調控線蟲
研究人員分別在線蟲、果蠅、小鼠等模式生物中進一步驗證somBiPOLES的用途：應用somBiPOLES啟用線蟲中膽鹼能神經元后身體長度變長，抑制該神經元后身體變短；光啟用果蠅幼蟲的穀氨酸能神經元后引起身體舒張，抑制該神經元后引起身體收縮；光抑制小鼠藍斑核的多巴胺神經元后引起瞳孔放大，啟用該型別神經元減小瞳孔直徑。這就表明somBiPOLES可實現雙向調控行為。
總的來說，本文開發了一種雙色啟用和抑制的光遺傳病毒工具somBiPOLES，效能強大，能夠實現在同一實驗中對同一型別的神經元進行啟用或抑制，實現對同一區域兩種型別神經元的調控。
