211service.com
Ljusbrytare för neuroner
För bara fem år sedan upptäckte forskare vid Stanford University att nervceller injicerade med en fotokänslig gen från alger kunde slås på eller av med en ljusströmbrytare. Denna upptäckt har sedan dess förvandlat hundratals labb till det unga området optogenetik. Idag använder forskare runt om i världen dessa genetiska ljusbrytare för att kontrollera specifika neuroner i levande djur, och observerar deras roller i ett växande antal hjärnfunktioner och sjukdomar, inklusive minne, beroende, depression, Parkinsons sjukdom och ryggmärgsskada.
Lyser vägen: Nya tekniker inom optogenetik gör det möjligt att kontrollera enskilda neuroner och hela hjärnkretsar med ljuspulser. Här levererar fiberoptiska ledningar blått ljus till belöningscentrumen i mushjärnan och konditionerar möss att föredra en kammare framför en annan.
Nu Karl Deisseroth , en av pionjärerna inom tekniken, har lagt till några nya verktyg till den optogenetiska repertoaren som kan främja studiet av sådana sjukdomar, med ljushastighet. En molekylär teknik som styr hela kretsar av neuroner snarare än en enda cell kommer att tillåta forskare att studera rollen av specifika neurala nätverk i hjärnan. En ny nära-infraröd teknik som når hjärnceller i djup vävnad kan göra det möjligt för forskare att använda dessa tekniker icke-invasivt - för närvarande måste de implantera en fiberoptisk kabel i ett djurs hjärna för att leverera ljusaktivering till sådana celler. Och en förbättrad avstängningsknapp som gör målneuroner mer känsliga för ljus möjliggör strängare neural kontroll. Gruppen publicerade sina resultat i den 2 april upplagan av tidskriften Cell .
Hittills har forskare huvudsakligen koncentrerat sig på två ljusbrytare, eller opsiner, för att aktivera eller hämma neuroner. Det första, channelrhodopsin, är ett protein som finns i cellmembranen hos grönalger. När de utsätts för blått ljus öppnar dessa proteiner membrankanaler och släpper in natrium- och kalciumjoner. När de är genetiskt modifierade till däggdjursneuroner orsakar dessa proteiner liknande joninflöde, vilket aktiverar neuroner. Den andra ljusströmbrytaren, en jonpump som kallas halorhodopsin, släpper in kloridjoner som svar på gult ljus, vilket tystar neuronen.
Halorhodopsin-ljusomkopplaren har dock vissa nackdelar. Det tystar inte neuroner så effektivt, och det kan byggas upp och ha toxiska effekter i hjärnceller. Deisseroths team har utvecklat en mer effektiv avstängningsknapp genom att dra fördel av ett fenomen som kallas membranhandel. Istället för att hålla halorhodopsin inuti cellen, konstruerade Deisseroth i huvudsak molekylära instruktioner för att leda opsinerna genom cellen, till det yttre membranet, där det lättare kan reagera på ljus och öppna jonkanaler för att hämma neuroner.
Proteiner transporteras runt en cell och trafikeras från plats till plats med otrolig komplexitet, säger Deisseroth. Vi var tvungna att tillhandahålla motsvarigheten till postnummer, bitar av DNA på opsinerna, för att trafikera dem korrekt till membranets yta. (Ed Boyden, en neuroforskare vid MIT och en annan pionjär inom optogenetik, har också utvecklat effektivare avstängningsknappar med hjälp av proteiner från svampar och bakterier.)
Teamet fann att denna nya avstängningsknapp är 20 gånger mer känslig för gult ljus än tidigare generationer. Forskarna fann också att även om gult verkar vara den söta punkten längs ljusspektrumet för att utlösa avstängningsknappen, kan rött och nära-infrarött ljus också ha en effekt. För Deisseroth tyder dessa resultat på ett lockande perspektiv: det är välkänt att ju närmare ljuset kommer infrarött, desto djupare kan det passera genom vävnad. Att konstruera en ljusströmbrytare som sätter på nervceller som svar på infraröd kan öppna dörrarna till exakt kontroll av kretsar djupt i hjärnan, vilket potentiellt möjliggör icke-invasiva behandlingar för sjukdomar som Parkinsons och depression.
Jerry Silver , professor i neurovetenskap vid Case Western University, är särskilt upphetsad över denna nya avstängningsknapp. Silver använder optogenetik för att utforska blåskontroll vid ryggmärgsskada, och har använt ljus för att stänga av nerver som slappnar av blåsan. Dessa nerver finns i den nedre ryggraden, ett särskilt sårbart område, och den nuvarande generationen av halorhodopsiner kräver en hög ljusintensitet för att få en mätbar effekt.
Vi var oroliga att vi skulle behöva mycket ljus, vilket skapar mycket värme, säger Silver. Med dessa nya verktyg som är känsligare behöver vi kanske inte så mycket ljus, vilket genererar mindre värme, och ljuset kan invadera vävnaden mycket längre, och det är därför jag är så exalterad över denna nya generation.
Förutom att konstruera en kraftfull avstängningsknapp, övervann Deisseroths team ett annat stort hinder inom optogenetik – att aktivera en hel neural krets. Medan forskare genetiskt kan rikta ljusomkopplare till specifika typer av neuroner, är det svårare att identifiera och genetiskt manipulera cellerna nedströms eller uppströms om dessa neuroner. Att kunna kontrollera hela kretsar av neuroner samtidigt, med ljushastighet, skulle kunna ge forskare en bättre förståelse för de neurala kopplingar som är involverade i beteendeuppgifter som inlärning och minne, och sjukdomar som depression och tvångssyndrom.
För att aktivera en neural krets injicerade Deisseroth först en genetisk ljusströmbrytare i en motorneuron hos en mus. Han manipulerade omkopplaren för att bara fungera i närvaro av en annan molekyl, CRE. Deisseroth injicerade CRE, tillsammans med en människohandelsmolekyl, i en annan region av mushjärnan. Den människohandlande molekylen drar CRE från cell till cell och spårar en väg tillbaka till målneuronen, säger han. CRE låser upp ljusomkopplaren och i närvaro av blått ljus aktiveras neuronen – och hela kretsen –.
Vi tror att det övervinner, eller tar ett steg mot att övervinna, de stora återstående begränsningarna av optogenetik, säger Deisseroth. Den stora utmaningen är att använda dessa verktyg för sjukdomsmodeller, och jag ser patienter med autism och depression, och vi kommer att titta på [att använda dessa verktyg] och försöka komma till en kretsförståelse av dessa sjukdomar.