211service.com
Lichtschakelaars voor neuronen
Nog maar vijf jaar geleden ontdekten wetenschappers van Stanford University dat neuronen die waren geïnjecteerd met een fotogevoelig gen uit algen, konden worden in- of uitgeschakeld met een lichtschakelaar. Deze ontdekking heeft sindsdien honderden laboratoria veranderd in het jonge veld van optogenetica. Tegenwoordig gebruiken onderzoekers over de hele wereld deze genetische lichtschakelaars om specifieke neuronen in levende dieren te controleren, waarbij ze hun rol in een groeiend aantal hersenfuncties en ziekten observeren, waaronder geheugen, verslaving, depressie, de ziekte van Parkinson en ruggenmergletsel.
De weg verlichten: Nieuwe technieken in de optogenetica maken het mogelijk om individuele neuronen en hele hersencircuits aan te sturen met lichtpulsen. Hier leveren glasvezeldraden blauw licht aan de beloningscentra van de muizenhersenen, waardoor muizen worden geconditioneerd om de ene kamer boven de andere te verkiezen.
nutsvoorzieningen Karl Deisseroth , een van de pioniers van de techniek, heeft een aantal nieuwe hulpmiddelen aan het optogenetische repertoire toegevoegd die de studie van dergelijke ziekten met lichte snelheid kunnen bevorderen. Een moleculaire techniek die hele circuits van neuronen bestuurt in plaats van een enkele cel, zal wetenschappers in staat stellen de rol van specifieke neurale netwerken in de hersenen te bestuderen. Een nieuwe bijna-infraroodtechniek die hersencellen in diep weefsel bereikt, zou wetenschappers in staat kunnen stellen deze technieken niet-invasief te gebruiken - momenteel moeten ze een glasvezelkabel in de hersenen van een dier implanteren om lichtactivering aan dergelijke cellen te leveren. En een verbeterde uit-schakelaar die doelneuronen gevoeliger maakt voor licht, zorgt voor een strakkere neurale controle. De groep publiceerde haar resultaten in de editie van 2 april van het tijdschrift Cel .
Tot op heden hebben wetenschappers zich voornamelijk geconcentreerd op twee lichtschakelaars, of opsins, om neuronen te activeren of te remmen. De eerste, channelrhodopsine, is een eiwit dat wordt aangetroffen in de celmembranen van groene algen. Bij blootstelling aan blauw licht openen deze eiwitten membraankanalen, waardoor natrium- en calciumionen binnenkomen. Wanneer genetisch gemanipuleerd in zoogdierneuronen, veroorzaken deze eiwitten vergelijkbare ioneninfluxen, waardoor neuronen worden geactiveerd. De tweede lichtschakelaar, een ionenpomp genaamd halorhodopsine, laat chloride-ionen binnen als reactie op geel licht, waardoor het neuron tot zwijgen wordt gebracht.
De halorhodopsine-lichtschakelaar heeft echter enkele nadelen. Het brengt neuronen niet zo effectief tot zwijgen, en het kan zich ophopen en toxische effecten hebben in hersencellen. Het team van Deisseroth heeft een effectievere uit-schakelaar ontwikkeld door gebruik te maken van een fenomeen dat membraansmokkel wordt genoemd. In plaats van halorhodopsine in de cel te houden, ontwikkelde Deisseroth in wezen moleculaire instructies om de opsins door de cel te leiden, naar het buitenmembraan, waar het gemakkelijker kan reageren op licht en open ionkanalen om neuronen te remmen.
Eiwitten worden rond een cel vervoerd en van plek naar plek gesmokkeld met een ongelooflijke complexiteit, zegt Deisseroth. We moesten het equivalent van postcodes leveren, stukjes DNA op de opsins, om ze correct naar het oppervlak van het membraan te transporteren. (Ed Boyden, een neurowetenschapper aan het MIT en een andere optogenetica-pionier, heeft ook effectievere uit-schakelaars ontwikkeld met behulp van eiwitten van schimmels en bacteriën.)
Het team ontdekte dat deze nieuwe uit-schakelaar 20 keer beter reageert op geel licht dan eerdere generaties. De onderzoekers ontdekten ook dat, hoewel geel de goede plek langs het lichtspectrum lijkt te zijn voor het activeren van de uit-schakelaar, rood en nabij-infrarood licht ook een effect kunnen hebben. Voor Deisseroth suggereren deze resultaten een verleidelijk vooruitzicht: het is bekend dat hoe dichter het licht bij infrarood komt, hoe dieper het door weefsel kan gaan. Het ontwerpen van een lichtschakelaar die neuronen aanzet als reactie op infrarood, zou de deuren kunnen openen voor nauwkeurige controle van circuits diep in de hersenen, waardoor mogelijk niet-invasieve behandelingen voor ziekten zoals Parkinson en depressie mogelijk worden.
Jerry Zilver , hoogleraar neurowetenschappen aan de Case Western University, is bijzonder enthousiast over deze nieuwe uit-schakelaar. Silver gebruikt optogenetica om de blaascontrole bij dwarslaesie te onderzoeken en heeft licht gebruikt om zenuwen uit te schakelen die de blaas ontspannen. Deze zenuwen bevinden zich in de onderrug, een bijzonder kwetsbaar gebied, en de huidige generatie halorhodopsines heeft een hoge lichtintensiteit nodig om een meetbaar effect te krijgen.
We waren bang dat we veel licht nodig zouden hebben, wat veel warmte veroorzaakt, zegt Silver. Met deze nieuwe tools die gevoeliger zijn, hebben we misschien niet zoveel licht nodig, dat minder warmte genereert, en het licht kan het weefsel veel verder binnendringen, en daarom ben ik zo enthousiast over deze nieuwe generatie.
Naast het ontwerpen van een krachtige uit-schakelaar, overwon het team van Deisseroth nog een ander belangrijk obstakel in de optogenetica: het activeren van een heel neuraal circuit. Hoewel wetenschappers lichtschakelaars genetisch kunnen richten op specifieke soorten neuronen, is het moeilijker om de cellen stroomafwaarts of stroomopwaarts van die neuronen te identificeren en genetisch te manipuleren. Als we hele circuits van neuronen tegelijk kunnen besturen, met de snelheid van het licht, zouden wetenschappers een beter begrip kunnen krijgen van de neurale verbindingen die betrokken zijn bij gedragstaken zoals leren en geheugen, en ziekten zoals depressie en obsessief-compulsieve stoornis.
Om een neuraal circuit te activeren, injecteerde Deisseroth eerst een genetische lichtschakelaar in een motorneuron van een muis. Hij manipuleerde de schakelaar om alleen te werken in de aanwezigheid van een ander molecuul, CRE. Deisseroth injecteerde CRE, samen met een mensensmokkelmolecuul, in een ander gebied van de muizenhersenen. Het mensensmokkelmolecuul sleept CRE lichamelijk van cel naar cel en volgt een route terug naar het doelneuron, zegt hij. De CRE ontgrendelt de lichtschakelaar en in de aanwezigheid van blauw licht wordt het neuron - en het hele circuit - geactiveerd.
We denken dat dit de belangrijkste resterende beperkingen van optogenetica overwint of een stap zet in de richting van het overwinnen, zegt Deisseroth. De grote uitdaging is om deze hulpmiddelen toe te passen op ziektemodellen, en ik zie patiënten met autisme en depressie, en we zullen kijken [om deze hulpmiddelen te gebruiken], en proberen te komen tot een circuit begrip van die ziekten.