211service.com
Šviesos jungikliai neuronams
Vos prieš penkerius metus Stanfordo universiteto mokslininkai išsiaiškino, kad neuronams, kuriems buvo sušvirkštas šviesai jautrus dumblių genas, galima įjungti arba išjungti apverčiant šviesos jungiklį. Nuo to laiko šis atradimas šimtus laboratorijų pavertė jauna optogenetikos sritimi. Šiandien mokslininkai visame pasaulyje naudoja šiuos genetinius šviesos jungiklius, kad kontroliuotų konkrečius gyvų gyvūnų neuronus, stebėdami jų vaidmenį vis daugiau smegenų funkcijų ir ligų, įskaitant atmintį, priklausomybę, depresiją, Parkinsono ligą ir nugaros smegenų pažeidimus.
Kelio apšvietimas: Nauji optogenetikos metodai leidžia valdyti atskirus neuronus ir visas smegenų grandines šviesos impulsais. Čia šviesolaidiniai laidai skleidžia mėlyną šviesą į pelių smegenų atlygio centrus, todėl pelės teikia pirmenybę vienai kamerai, o ne kitai.
Dabar Karlas Deisserothas , vienas iš šios technikos pradininkų, į optogenetinį repertuarą įtraukė keletą naujų priemonių, kurios gali paskatinti tokių ligų tyrimą šviesos greičiu. Molekulinė technika, valdanti ištisas neuronų grandines, o ne vieną ląstelę, leis mokslininkams ištirti specifinių neuronų tinklų vaidmenį smegenyse. Naujas beveik infraraudonųjų spindulių metodas, pasiekiantis smegenų ląsteles giliuose audiniuose, galėtų leisti mokslininkams naudoti šiuos metodus neinvaziškai – šiuo metu jie turi implantuoti šviesolaidinį kabelį į gyvūno smegenis, kad tokios ląstelės suaktyvintų šviesą. O patobulintas išjungimo jungiklis, dėl kurio tiksliniai neuronai tampa jautresni šviesai, leidžia griežčiau valdyti neuronus. Grupė paskelbė savo rezultatus žurnalo balandžio 2 d Ląstelė .
Iki šiol mokslininkai daugiausia dėmesio skyrė dviem šviesos jungikliais arba opsinams, kad suaktyvintų arba slopintų neuronus. Pirmasis, kanalrodopsinas, yra baltymas, randamas žaliųjų dumblių ląstelių membranose. Veikiami mėlynos šviesos, šie baltymai atveria membraninius kanalus, praleidžia natrio ir kalcio jonus. Genų inžinerijos būdu į žinduolių neuronus šie baltymai sukelia panašų jonų antplūdį, aktyvindami neuronus. Antrasis šviesos jungiklis, jonų siurblys, vadinamas halorodopsinu, reaguodamas į geltoną šviesą įleidžia chloro jonus, nutildydamas neuroną.
Tačiau halorodopsino šviesos jungiklis turi tam tikrų trūkumų. Jis ne taip veiksmingai nutildo neuronus, gali kauptis ir turėti toksinį poveikį smegenų ląstelėse. Deisseroth komanda sukūrė efektyvesnį išjungimo jungiklį, pasinaudodama reiškiniu, vadinamu prekyba membranomis. Užuot laikęs halorodopsiną ląstelės viduje, Deisserothas iš esmės sukūrė molekulines instrukcijas, skirtas nukreipti opsinus per ląstelę į išorinę membraną, kur jis gali lengviau reaguoti į šviesą ir atidaryti jonų kanalus, kad slopintų neuronus.
Deisserothas teigia, kad baltymai gabenami aplink ląstelę ir gabenami iš vienos vietos į kitą neįtikėtinai sudėtingai. Turėjome pateikti pašto kodų atitikmenį, DNR bitus ant opsinų, kad juos teisingai nukreiptume į membranos paviršių. (Ed Boyden, MIT neurologas ir kitas optogenetikos pradininkas, taip pat sukūrė efektyvesnius išjungimo jungiklius, naudodamas grybų ir bakterijų baltymus.)
Komanda nustatė, kad šis naujas išjungimo jungiklis 20 kartų labiau reaguoja į geltoną šviesą nei ankstesnės kartos. Tyrėjai taip pat išsiaiškino, kad nors atrodo, kad geltona yra miela šviesos spektro vieta, skirta išjungti jungiklį, raudona ir artima infraraudonoji šviesa taip pat gali turėti įtakos. Deisserothui šie rezultatai rodo viliojančią perspektyvą: gerai žinoma, kad kuo arčiau šviesa priartėja prie infraraudonųjų spindulių, tuo giliau ji gali prasiskverbti per audinius. Šviesos jungiklio, įjungiančio neuronus, reaguojant į infraraudonųjų spindulių, sukūrimas gali atverti duris tiksliai valdyti giliai smegenyse esančias grandines, o tai gali suteikti galimybę neinvaziniu būdu gydyti tokias ligas kaip Parkinsono liga ir depresija.
Džeris Sidabras , Case Western universiteto neurologijos profesorius, ypač džiaugiasi šiuo nauju išjungimo jungikliu. Sidabras naudoja optogenetiką, kad ištirtų šlapimo pūslės kontrolę esant nugaros smegenų pažeidimui, ir naudojo šviesą, kad išjungtų nervus, kurie atpalaiduoja šlapimo pūslę. Šie nervai yra apatinėje stuburo dalyje, ypač pažeidžiamoje vietoje, o dabartinės kartos halorodopsinams reikalingas didelis šviesos intensyvumas, kad būtų pasiektas išmatuojamas poveikis.
Buvome susirūpinę, kad mums reikės daug šviesos, kuri sukuria daug šilumos, sako Silveris. Naudojant šiuos naujus įrankius, kurie yra jautresni, mums gali prireikti tiek šviesos, kuri generuoja mažiau šilumos, o šviesa gali prasiskverbti į audinius daug toliau, todėl aš taip džiaugiuosi dėl šios naujos kartos.
Be galingo išjungimo jungiklio sukūrimo, Deisseroth komanda įveikė dar vieną didelę optogenetikos kliūtį – suaktyvino visą nervų grandinę. Nors mokslininkai gali genetiškai nukreipti šviesos jungiklius į tam tikrus neuronų tipus, sunkiau nustatyti ir genetiškai manipuliuoti ląstelėmis, esančiomis pasroviui arba prieš tų neuronų srovę. Galimybė valdyti visas neuronų grandines vienu metu, šviesos greičiu, galėtų padėti mokslininkams geriau suprasti neuroninius ryšius, susijusius su elgesio užduotimis, tokiomis kaip mokymasis ir atmintis, ir tokias ligas kaip depresija ir obsesinis kompulsinis sutrikimas.
Norėdami suaktyvinti neuroninę grandinę, Deisserothas pirmiausia įleido genetinį šviesos jungiklį į pelės motorinį neuroną. Jis manipuliavo jungikliu, kad veiktų tik esant kitai molekulei CRE. Deisserothas suleido CRE kartu su neteisėta molekule į kitą pelės smegenų sritį. Prekybos molekulė kūnu tempia CRE iš ląstelės į ląstelę, atsekdama kelią iki tikslinio neurono, sako jis. CRE atrakina šviesos jungiklį ir, esant mėlynai šviesai, suaktyvinamas neuronas ir visa grandinė.
Manome, kad tai įveikia arba žengia žingsnį įveikiant pagrindinius likusius optogenetikos apribojimus, sako Deisserothas. Didelis iššūkis yra pritaikyti šias priemones ligų modeliams, aš matau pacientus, sergančius autizmu ir depresija, ir mes stengsimės [naudoti šias priemones] ir bandysime suprasti šias ligas.