211service.com
Przełączniki światła dla neuronów
Zaledwie pięć lat temu naukowcy z Uniwersytetu Stanforda odkryli, że neurony, którym wstrzyknięto światłoczuły gen z alg, można włączać i wyłączać jednym pstryknięciem włącznika światła. Odkrycie to przeniosło setki laboratoriów na młodą dziedzinę optogenetyki. Dziś naukowcy na całym świecie używają tych genetycznych przełączników światła do kontrolowania określonych neuronów u żywych zwierząt, obserwując ich rolę w coraz większej liczbie funkcji i chorób mózgu, w tym pamięci, uzależnień, depresji, choroby Parkinsona i uszkodzenia rdzenia kręgowego.
Oświetlenie drogi: Nowe techniki w optogenetyce umożliwiają kontrolowanie pojedynczych neuronów i całych obwodów mózgowych za pomocą impulsów światła. Tutaj przewody światłowodowe dostarczają niebieskie światło do ośrodków nagrody w mózgu myszy, warunkując myszy tak, aby preferowały jedną komorę od drugiej.
Ale już Karl Deisseroth , jeden z pionierów tej techniki, dodał do repertuaru optogenetycznego kilka nowych narzędzi, które mogą przyspieszyć badania nad takimi chorobami z prędkością światła. Technika molekularna, która kontroluje całe obwody neuronów, a nie pojedynczą komórkę, pozwoli naukowcom zbadać rolę określonych sieci neuronowych w mózgu. Nowa technika bliskiej podczerwieni, która dociera do komórek mózgowych w głębokiej tkance, może pozwolić naukowcom na nieinwazyjne stosowanie tych technik – obecnie muszą wszczepić kabel światłowodowy do mózgu zwierzęcia, aby aktywować takie komórki światłem. A ulepszony wyłącznik, który sprawia, że neurony docelowe są bardziej wrażliwe na światło, pozwala na ściślejszą kontrolę neuronową. Grupa opublikowała swoje wyniki w wydaniu czasopisma z 2 kwietnia Komórka .
Do tej pory naukowcy koncentrowali się głównie na dwóch włącznikach światła lub opsynach, które aktywują lub hamują neurony. Pierwsza, rodopsyna kanałowa, to białko znajdujące się w błonach komórkowych zielonych alg. Pod wpływem światła niebieskiego białka te otwierają kanały błonowe, przepuszczając jony sodu i wapnia. Kiedy zostaną genetycznie wprowadzone do neuronów ssaków, białka te powodują podobny napływ jonów, aktywując neurony. Drugi włącznik światła, pompa jonowa zwana halorodopsyną, przepuszcza jony chlorkowe w odpowiedzi na żółte światło, wyciszając neuron.
Przełącznik światła halorodopsyny ma jednak pewne wady. Nie wycisza neuronów aż tak skutecznie, może się nawarstwiać i mieć toksyczny wpływ na komórki mózgowe. Zespół Deisserotha opracował skuteczniejszy wyłącznik, wykorzystując zjawisko zwane przemytem membranowym. Zamiast utrzymywać halorodopsynę w komórce, Deisseroth zasadniczo opracował instrukcje molekularne, aby kierować opsyny przez komórkę do zewnętrznej błony, gdzie mogą one łatwiej reagować na światło i otwarte kanały jonowe, aby hamować neurony.
Białka są transportowane po komórce i przemycane z miejsca na miejsce z niewiarygodną złożonością, mówi Deisseroth. Musieliśmy zapewnić odpowiedniki kodów pocztowych, fragmenty DNA na opsynach, aby prawidłowo przenieść je na powierzchnię membrany. (Ed Boyden, neurobiolog z MIT i inny pionier optogenetyki, również opracował bardziej efektywne wyłączniki, wykorzystując białka z grzybów i bakterii.)
Zespół odkrył, że ten nowy wyłącznik jest 20 razy bardziej czuły na żółte światło niż poprzednie generacje. Naukowcy odkryli również, że chociaż żółty wydaje się być słodkim punktem w widmie światła do wyzwalania wyłącznika, światło czerwone i bliskie podczerwieni również może mieć wpływ. Dla Deisserotha wyniki te sugerują kuszącą perspektywę: dobrze wiadomo, że im bliżej światła podczerwonego zbliża się do podczerwieni, tym głębiej może przejść przez tkankę. Zaprojektowanie przełącznika światła, który włącza neurony w odpowiedzi na podczerwień, może otworzyć drzwi do precyzyjnej kontroli obwodów głęboko w mózgu, potencjalnie umożliwiając nieinwazyjne leczenie chorób takich jak choroba Parkinsona i depresja.
Jerry Silver , profesor neurologii na Uniwersytecie Case Western, jest szczególnie podekscytowany tym nowym wyłącznikiem. Silver wykorzystuje optogenetykę do badania kontroli pęcherza moczowego w urazach rdzenia kręgowego i używa światła do wyłączania nerwów, które rozluźniają pęcherz. Nerwy te znajdują się w dolnej części kręgosłupa, szczególnie wrażliwym obszarze, a obecna generacja halorodopsyn wymaga dużej intensywności światła, aby uzyskać wymierny efekt.
Martwiliśmy się, że będziemy potrzebować dużo światła, które wytwarza dużo ciepła, mówi Silver. Dzięki tym nowym narzędziom, które są bardziej czułe, możemy nie potrzebować tak dużo światła, które generuje mniej ciepła, a światło może znacznie dalej wnikać w tkankę i dlatego jestem tak podekscytowany tą nową generacją.
Oprócz skonstruowania potężnego wyłącznika, zespół Deisserotha pokonał kolejną poważną przeszkodę w optogenetyce – aktywację całego obwodu neuronowego. Podczas gdy naukowcy mogą genetycznie kierować przełączniki światła na określone typy neuronów, trudniej jest zidentyfikować i genetycznie manipulować komórkami poniżej lub powyżej tych neuronów. Możliwość kontrolowania całych obwodów neuronów na raz, z prędkością światła, może dać naukowcom lepsze zrozumienie połączeń nerwowych związanych z zadaniami behawioralnymi, takimi jak uczenie się i pamięć, oraz chorobami, takimi jak depresja i zaburzenia obsesyjno-kompulsywne.
Aby aktywować obwód neuronowy, Deisseroth najpierw wstrzyknął genetyczny włącznik światła do neuronu ruchowego myszy. Zmanipulował przełącznik, aby działał tylko w obecności innej cząsteczki, CRE. Deisseroth wstrzyknął CRE wraz z cząsteczką handlową do innego regionu mózgu myszy. Mówi, że molekuła handlowa fizycznie przeciąga CRE z komórki do komórki, śledząc drogę z powrotem do docelowego neuronu. CRE odblokowuje włącznik światła iw obecności niebieskiego światła aktywowany jest neuron – i cały obwód.
Uważamy, że pokonuje lub robi krok w kierunku przezwyciężenia głównych pozostałych ograniczeń optogenetyki, mówi Deisseroth. Wielkim wyzwaniem jest zastosowanie tych narzędzi w modelach chorób. Widzę pacjentów z autyzmem i depresją, a my przyjrzymy się [aby użyć tych narzędzi] i spróbujemy dojść do obwodu zrozumienia tych chorób.