211service.com
Lysbrytere for nevroner
For bare fem år siden oppdaget forskere ved Stanford University at nevroner injisert med et fotosensitivt gen fra alger kunne slås på eller av med en lysbryter. Denne oppdagelsen har siden snudd hundrevis av laboratorier til det unge feltet av optogenetikk. I dag bruker forskere rundt om i verden disse genetiske lysbryterne til å kontrollere spesifikke nevroner i levende dyr, og observerer deres roller i et voksende utvalg av hjernefunksjoner og sykdommer, inkludert hukommelse, avhengighet, depresjon, Parkinsons sykdom og ryggmargsskade.
Belysning av veien: Nye teknikker innen optogenetikk gjør det mulig å kontrollere individuelle nevroner og hele hjernekretsløp med lyspulser. Her leverer fiberoptiske ledninger blått lys til belønningssentrene i musehjernen, og kondisjonerer mus til å foretrekke ett kammer fremfor et annet.
Nå Karl Deisseroth , en av pionerene innen teknikken, har lagt til noen nye verktøy til det optogenetiske repertoaret som kan fremme studiet av slike sykdommer, med lyshastighet. En molekylær teknikk som kontrollerer hele kretser av nevroner i stedet for en enkelt celle vil tillate forskere å studere rollen til spesifikke nevrale nettverk i hjernen. En ny nær-infrarød teknikk som når hjerneceller i dypt vev kan tillate forskere å bruke disse teknikkene ikke-invasivt – for tiden må de implantere en fiberoptisk kabel i et dyrs hjerne for å levere lysaktivering til slike celler. Og en forbedret av-bryter som gjør målnevroner mer følsomme for lys, muliggjør tettere nevral kontroll. Gruppen publiserte sine resultater i 2. april-utgaven av tidsskriftet Celle .
Til dags dato har forskere hovedsakelig konsentrert seg om to lysbrytere, eller opsins, for å aktivere eller hemme nevroner. Det første, channelrhodopsin, er et protein som finnes i cellemembranene til grønne alger. Når de utsettes for blått lys, åpner disse proteinene membrankanaler og slipper inn natrium- og kalsiumioner. Når de er genetisk konstruert til pattedyrneuroner, forårsaker disse proteinene lignende ionetilstrømning, og aktiverer nevroner. Den andre lysbryteren, en ionepumpe kalt halorhodopsin, slipper inn kloridioner som svar på gult lys, og gjør nevronet stille.
Halorhodopsin-lysbryteren har imidlertid noen ulemper. Det demper ikke nevroner så effektivt, og det kan bygge seg opp og ha toksiske effekter i hjerneceller. Deisseroths team har utviklet en mer effektiv av-bryter ved å dra nytte av et fenomen som kalles membrantrafikk. I stedet for å holde halorhodopsin inne i cellen, konstruerte Deisseroth i hovedsak molekylære instruksjoner for å lede opsinene gjennom cellen, til den ytre membranen, hvor den lettere kan reagere på lys og åpne ionekanaler for å hemme nevroner.
Proteiner blir sendt rundt i en celle og transportert fra sted til sted med en utrolig kompleksitet, sier Deisseroth. Vi måtte gi tilsvarende postkoder, biter av DNA på opsinene, for å overføre dem riktig til overflaten av membranen. (Ed Boyden, en nevroforsker ved MIT og en annen optogenetisk pioner, har også utviklet mer effektive av-brytere ved å bruke proteiner fra sopp og bakterier.)
Teamet fant ut at denne nye av-bryteren reagerer 20 ganger mer på gult lys enn tidligere generasjoner. Forskerne fant også at selv om gult ser ut til å være det søte stedet langs lysspekteret for å utløse av-bryteren, kan rødt og nær-infrarødt lys også ha en effekt. For Deisseroth antyder disse resultatene et fristende perspektiv: det er velkjent at jo nærmere lyset kommer infrarødt, jo dypere kan det passere gjennom vev. Utforming av en lysbryter som slår på nevroner som svar på infrarødt lys kan åpne dørene for presis kontroll av kretsløp dypt i hjernen, og muligens muliggjøre ikke-invasive behandlinger for sykdommer som Parkinsons og depresjon.
Jerry Silver , professor i nevrovitenskap ved Case Western University, er spesielt begeistret for denne nye av-bryteren. Silver bruker optogenetikk for å utforske blærekontroll ved ryggmargsskade, og har brukt lys for å slå av nerver som slapper av blæren. Disse nervene er lokalisert i den nedre ryggraden, et spesielt sårbart område, og den nåværende generasjonen av halorhodopsiner krever høy lysintensitet for å få en målbar effekt.
Vi var bekymret for at vi skulle trenge mye lys, som skaper mye varme, sier Silver. Med disse nye verktøyene som er mer følsomme, trenger vi kanskje ikke så mye lys, som genererer mindre varme, og lyset kan invadere vevet mye lenger, og det er derfor jeg er så begeistret for denne nye generasjonen.
I tillegg til å konstruere en kraftig av-bryter, overgikk Deisseroths team en annen stor hindring innen optogenetikk – aktivering av en hel nevral krets. Mens forskere genetisk kan målrette lysbrytere til spesifikke typer nevroner, er det vanskeligere å identifisere og genetisk manipulere cellene nedstrøms eller oppstrøms for disse nevronene. Å være i stand til å kontrollere hele kretser av nevroner om gangen, med lyshastighet, kan gi forskere en bedre forståelse av de nevrale forbindelsene involvert i atferdsoppgaver som læring og hukommelse, og sykdommer som depresjon og tvangslidelser.
For å aktivere en nevrale krets injiserte Deisseroth først en genetisk lysbryter i en motorneuron til en mus. Han manipulerte bryteren til å bare virke i nærvær av et annet molekyl, CRE. Deisseroth injiserte CRE, sammen med et menneskehandelsmolekyl, i en annen region av musehjernen. Menneskehandelsmolekylet drar CRE fra celle til celle, og sporer en rute tilbake til målnevronet, sier han. CRE låser opp lysbryteren, og i nærvær av blått lys aktiveres nevronet – og hele kretsen –.
Vi tror det overvinner, eller tar et skritt mot å overvinne, de store gjenværende begrensningene til optogenetikk, sier Deisseroth. Den store utfordringen er å bringe disse verktøyene til bruk på sykdomsmodeller, og jeg ser pasienter med autisme og depresjon, og vi vil se [for å bruke disse verktøyene], og prøve å komme til en kretsforståelse av disse sykdommene.