心律不齐会导致心脏泵血效率低下，从而阻碍血液和氧气输送到身体其他器官。当流向大脑的血液和氧气减少时，中风和认知能力下降的风险会增加。
圣路易斯华盛顿大学的研究团队利用心脏光遗传学技术，以非侵入性方式研究心律不齐及其对大脑的影响。通过在小鼠模型中使用高灵敏度成像技术，他们发现小鼠心脏发生心律不齐期间及之后，大脑中的氧气浓度会发生改变。
该研究成果于2026年6月3日发表在《科学进展》期刊上。
麦凯维工程学院生物医学工程教授周超、其实验室博士生阿比·马特，以及来自巴西大学的前访问学者马塞洛·马格里·阿马拉尔共同领导了这项研究。团队采用光遗传学技术——结合基因工程与光控制神经元或心脏细胞的方法——在经过基因改造表达视蛋白（即光敏离子通道）的小鼠中实现刺激。通过在小鼠心脏表面（约人类小指甲盖大小）的皮肤区域照射红光，研究人员能安全地将心率提升至静息心率的175%，从而按需诱发心律不齐。刺激停止后，心率会恢复至初始静息水平。
马特表示，本研究的主要挑战在于小鼠本身具有较快的心率。实验中，他们使用了从低于静息心率的6赫兹到远高于静息心率的14赫兹等多种频率，同时记录休息、光刺激起搏和恢复期的心电图信号。大脑变化最显著的频率出现在6赫兹和14赫兹。在整个起搏频率范围内，血液和氧气浓度的变化与静息心率和起搏频率之间的差异成正比。
"通过这个模型，我们证明了心输出量（即心脏每秒泵出的血液量）的降低，并进一步延伸研究到大脑这个高度灌注的器官，"马特说，"在与亚当·鲍尔博士团队（圣路易斯华盛顿大学医学院马林克罗特放射学研究所及麦凯维工程学院放射学副教授）的合作中，我们发现在全局尺度上，我们能够扰乱血流动力学，即降低大脑中氧合血红蛋白的浓度并增加脱氧血红蛋白的含量。因此，从心脏尺度出发，我们能够调控心律，并利用这种方法研究高度灌注器官如何在极短时间内受到干扰。"
光遗传学技术始于2005年的斯坦福大学，最初主要聚焦于神经科学领域。周超在2015年于利哈伊大学期间，首次在《科学进展》期刊发表心脏光遗传学研究成果，当时他使用该方法改变了果蝇的心跳。此后，其团队开发出更多对不同颜色光有响应的果蝇模型——红光停止心跳，蓝光增强心跳。
"红光视蛋白对组织穿透力更强的长波长光有响应，"周超解释道。
传统心脏起搏方法具有侵入性且技术复杂，需要在心脏表面直接植入LED光源或使用高功率设备，存在灼伤皮肤的风险。
"使用光的优势在于它无创，不需要导线或电极就能实现起搏，"马特说，"而且效果仅局限于表达光敏蛋白的区域，因此心脏光遗传学更具靶向性，给予我们更精确的控制。"
未来研究可能将光学固有信号成像与其他测量血流量和血氧饱和度的方法结合，更全面地观察心律不齐引起的血流变化如何影响大脑及其他器官。虽然团队已证明该方法在小鼠模型中有效，但他们表示可扩展到其他心脏光遗传学模型，为转化医学提供更多可能性。
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