Precise rewiring of corticospinal axons and spinal interneurons via near-infrared optogenetics for spinal cord injury treatment

光遗传学 脊髓 神经科学 脊髓损伤 突触后电位 谷氨酸的 生物神经网络 皮质脊髓束 轴突 生物 医学 谷氨酸受体 磁共振成像 磁共振弥散成像 受体 放射科 生物化学
作者
Zheng Ji,Yan Jun,Chenxi Li,Yuhui Sun,Shoupeng Wang,Jin Tao,Jian Liu,Yaobo Liu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (31)
标识
DOI:10.1126/sciadv.ads4938
摘要

To date, precise restoration of proper connections between posttrauma axons and neurons following spinal cord injury (SCI) remains a substantial challenge. Here, we developed glutamate-linked upconversion nanoparticles (Glu-UCNP) to facilitate optogenetic control of axonal sprouting in SCI mice. After being specifically uptaken by the postsynaptic interneurons innervated by corticospinal tract (CST) axons, Glu-UCNP not only serves as internal light transducers that convert near-infrared light to visible light but also acts as nanobeacons that guide axonal sprouting toward postsynaptic neurons of glutamatergic synapses. This in situ optogenetic modulation successfully demonstrated the restoration of spinal motor circuits by rebuilding functional connections between CST axons and postsynaptic interneurons. It was corroborated by live-cell recording, immunofluorescence staining, in vivo Ca 2+ imaging, and pellet-reaching tests. Transcriptome sequencing further elucidated the molecular network changes underlying this optogenetic modulation. These findings highlight the potential therapeutic applications of optogenetic modulation in the reassembly of neural circuits after SCI.
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