211service.com
Gaismas slēdži neironiem
Tikai pirms pieciem gadiem Stenfordas universitātes zinātnieki atklāja, ka neironus, kuros injicēts fotojutīgs gēns no aļģēm, var ieslēgt vai izslēgt, pārslēdzot gaismas slēdzi. Kopš tā laika šis atklājums simtiem laboratoriju ir pārvērtis par jauno optoģenētikas jomu. Mūsdienās pētnieki visā pasaulē izmanto šos ģenētiskos gaismas slēdžus, lai kontrolētu konkrētus dzīvu dzīvnieku neironus, novērojot to lomu pieaugošā smadzeņu funkciju un slimību klāstā, tostarp atmiņā, atkarībā, depresijā, Parkinsona slimībā un muguras smadzeņu traumās.
Ceļa apgaismojums: Jaunas optoģenētikas metodes ļauj kontrolēt atsevišķus neironus un visas smadzeņu ķēdes ar gaismas impulsiem. Šeit optiskās šķiedras vadi piegādā zilu gaismu peles smadzeņu atalgojuma centriem, liekot pelēm dot priekšroku vienai kamerai, nevis otrai.
Tagad Kārlis Deisserots , viens no tehnikas pionieriem, optoģenētiskajam repertuāram ir pievienojis dažus jaunus rīkus, kas var veicināt šādu slimību izpēti gaismas ātrumā. Molekulārā tehnika, kas kontrolē veselas neironu ķēdes, nevis vienu šūnu, ļaus zinātniekiem izpētīt specifisku neironu tīklu lomu smadzenēs. Jauna gandrīz infrasarkanā metode, kas sasniedz smadzeņu šūnas dziļajos audos, varētu ļaut zinātniekiem izmantot šīs metodes neinvazīvi - pašlaik viņiem dzīvnieka smadzenēs ir jāimplantē optiskās šķiedras kabelis, lai šādām šūnām nodrošinātu gaismas aktivāciju. Un uzlabots izslēgšanas slēdzis, kas padara mērķa neironus jutīgākus pret gaismu, ļauj nodrošināt stingrāku neironu kontroli. Grupa savus rezultātus publicēja žurnāla 2. aprīļa izdevumā Šūna .
Līdz šim zinātnieki galvenokārt ir koncentrējušies uz diviem gaismas slēdžiem jeb opsīniem, lai aktivizētu vai inhibētu neironus. Pirmais, kanalrodopsīns, ir proteīns, kas atrodams zaļo aļģu šūnu membrānās. Ja tiek pakļauti zilajai gaismai, šie proteīni atver membrānas kanālus, ielaižot nātrija un kalcija jonus. Kad šie proteīni tiek ģenētiski pārveidoti zīdītāju neironos, tie izraisa līdzīgu jonu pieplūdumu, aktivizējot neironus. Otrais gaismas slēdzis, jonu sūknis, ko sauc par halorodopsīnu, ievada hlorīda jonus, reaģējot uz dzelteno gaismu, apklusinot neironu.
Tomēr halorodopsīna gaismas slēdzim ir daži trūkumi. Tas tik efektīvi neapklusina neironus, un tas var uzkrāties un radīt toksisku ietekmi smadzeņu šūnās. Deisseroth komanda ir izstrādājusi efektīvāku izslēgšanas slēdzi, izmantojot fenomenu, ko sauc par membrānu tirdzniecību. Tā vietā, lai saglabātu halorodopsīnu šūnā, Deisseroth būtībā izstrādāja molekulāras instrukcijas, lai vadītu opsīnus caur šūnu uz ārējo membrānu, kur tas var vieglāk reaģēt uz gaismu un atvērt jonu kanālus, lai inhibētu neironus.
Deisserots saka, ka olbaltumvielas tiek pārvadātas ap šūnu un pārvietotas no vienas vietas uz otru ar neticamu sarežģītību. Mums bija jānodrošina pasta indeksu ekvivalents, DNS biti uz opsīniem, lai tie pareizi pārvietotu uz membrānas virsmu. (Eds Boidens, MIT neirozinātnieks un cits optoģenētikas pionieris, arī ir izstrādājis efektīvākus izslēgšanas slēdžus, izmantojot sēnīšu un baktēriju proteīnus.)
Komanda atklāja, ka šis jaunais izslēgšanas slēdzis 20 reizes vairāk reaģē uz dzelteno gaismu nekā iepriekšējās paaudzes. Pētnieki arī atklāja, ka, lai gan šķiet, ka dzeltenā krāsa ir mīļākā vieta gaismas spektrā, lai iedarbinātu izslēgšanas slēdzi, sarkanā un gandrīz infrasarkanā gaisma var arī ietekmēt. Deisserotam šie rezultāti liecina par vilinošu perspektīvu: ir labi zināms, ka jo tuvāk gaisma nonāk infrasarkanajā starā, jo dziļāk tā var iziet cauri audiem. Izstrādājot gaismas slēdzi, kas ieslēdz neironus, reaģējot uz infrasarkano staru, varētu atvērt durvis precīzai smadzeņu dziļumos esošo ķēžu kontrolei, potenciāli nodrošinot neinvazīvu ārstēšanu tādām slimībām kā Parkinsona slimība un depresija.
Džerijs Sudrabs , Case Western universitātes neirozinātņu profesors, ir īpaši sajūsmā par šo jauno izslēgšanas slēdzi. Sudrabs izmanto optoģenētiku, lai izpētītu urīnpūšļa kontroli muguras smadzeņu bojājumu gadījumā, un ir izmantojis gaismu, lai izslēgtu nervus, kas atslābina urīnpūsli. Šie nervi atrodas mugurkaula lejasdaļā, īpaši neaizsargātā zonā, un pašreizējās paaudzes halorodopsīniem ir nepieciešama liela gaismas intensitāte, lai iegūtu izmērāmu efektu.
Mēs bijām noraizējušies, ka mums būs nepieciešams daudz gaismas, kas rada daudz siltuma, saka Sudraba. Izmantojot šos jaunos instrumentus, kas ir jutīgāki, mums var nebūt vajadzīgs tik daudz gaismas, kas rada mazāk siltuma, un gaisma var iekļūt audos daudz tālāk, un tāpēc es esmu tik sajūsmā par šo jauno paaudzi.
Papildus jaudīga izslēgšanas slēdža izstrādei Deisseroth komanda pārvarēja vēl vienu būtisku šķērsli optoģenētikā - aktivizēja veselu neironu ķēdi. Lai gan zinātnieki var ģenētiski mērķēt gaismas slēdžus uz noteiktiem neironu veidiem, ir grūtāk identificēt un ģenētiski manipulēt ar šūnām, kas atrodas lejup vai augšpus šiem neironiem. Spēja kontrolēt veselas neironu ķēdes vienlaikus gaismas ātrumā varētu dot zinātniekiem labāku izpratni par neironu savienojumiem, kas saistīti ar uzvedības uzdevumiem, piemēram, mācībām un atmiņu, un tādām slimībām kā depresija un obsesīvi kompulsīvi traucējumi.
Lai aktivizētu neironu ķēdi, Deisserots vispirms injicēja ģenētisko gaismas slēdzi peles motorajā neironā. Viņš manipulēja ar slēdzi, lai darbotos tikai citas molekulas CRE klātbūtnē. Deisserots injicēja CRE kopā ar kontrabandas molekulu citā peles smadzeņu reģionā. Viņš saka, ka tirdzniecības molekula ķermenis velk CRE no šūnas uz šūnu, izsekojot ceļu atpakaļ uz mērķa neironu. CRE atbloķē gaismas slēdzi, un zilās gaismas klātbūtnē tiek aktivizēts neirons un visa ķēde.
Mēs domājam, ka tas pārvar vai sper soli uz to, lai pārvarētu galvenos atlikušos optoģenētikas ierobežojumus, saka Deisseroth. Lielais izaicinājums ir ieviest šos rīkus slimību modeļos, un es redzu pacientus ar autismu un depresiju, un mēs centīsimies [izmantot šos rīkus] un mēģināsim panākt šo slimību ķēdes izpratni.