周超实验室研究人员采用心脏光遗传学技术无创研究心律失常及其对大脑的影响。通过小鼠模型的高灵敏度成像，他们发现小鼠心脏出现心律失常时，脑部氧浓度在发作期间及之后均发生显著改变。（AI生成图片）
心律不齐或心律失常会导致心脏泵血效率下降，进而阻碍血液和氧气输送到身体其他器官。当脑部供血供氧不足时，脑卒中和认知衰退的风险将显著升高。
圣路易斯华盛顿大学研究团队运用心脏光遗传学技术无创研究心律失常及其脑部影响。通过小鼠模型的高灵敏度成像，他们发现小鼠心脏发生心律失常时，脑部氧浓度在发作期间及之后均出现改变。
该研究成果已于6月3日发表在《科学进展》期刊。
麦凯维工程学院生物医学工程教授周超、其课题组研究生艾比·马特以及来自巴西大学的访问学者马塞洛·马格里·阿马拉尔共同领导团队，采用光遗传学技术——即基因工程与光学控制相结合的方法调控心肌细胞。研究人员在基因改造小鼠体内实现精准刺激：将红光照射小鼠心脏部位皮肤，即可安全地将心率提升至静息心率的175%以诱发心律失常，结束后心率自动恢复至初始静息水平。
实验中，团队测试了6赫兹（低于静息心率）至14赫兹（远高于静息心率）的多种频率，同时记录静息期、光刺激期及恢复期的心电图信号。脑部变化最显著的频率点为6赫兹和14赫兹。在整个频率范围内，血液及氧浓度变化幅度与静息心率和刺激频率的偏差值呈正比。
马特表示："通过该模型，我们证实了心脏输出量——即心脏每秒泵出的血容量——的降低，并由此延伸研究高度灌注器官——大脑。"
该团队与麦凯维工程学院及医学院马林克罗特放射学研究所放射学副教授亚当·鲍尔的研究组合作。
马特指出："我们能降低脑部氧合血红蛋白浓度，同时增加脱氧血红蛋白含量。因此，从心脏尺度出发，我们能够调控心律，并利用此方法在极短时间内研究高度灌注器官的功能紊乱机制。"
光遗传学技术始于2005年斯坦福大学的神经科学研究。周超2015年在利哈伊大学任职期间，首次在《科学进展》发表心脏光遗传学研究成果，当时应用于果蝇心脏。其团队后续开发出可响应不同色光的新型果蝇模型。
传统心脏起搏方法具有侵入性且技术复杂，需在心脏表面直接植入发光二极管或使用高功率光源，存在灼伤皮肤风险。
马特强调："光学刺激的优势在于其无创性，无需导线或电极即可实现起搏。由于光敏蛋白仅在特定区域表达，心脏光遗传学具有靶向精准、控制精确的特点。"
未来研究将结合光学内在信号成像与其他血流及氧饱和度测量方法，全面解析心律失常引发的血流变化如何影响大脑及其他器官。虽然该技术目前在小鼠模型中验证有效，但研究团队认为其可拓展至更具转化医学潜力的其他心脏光遗传学模型。
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