211service.com
Lyskontakter til neuroner
For bare fem år siden opdagede forskere ved Stanford University, at neuroner injiceret med et lysfølsomt gen fra alger kunne tændes eller slukkes ved at trykke på en lyskontakt. Denne opdagelse har siden vendt hundredvis af laboratorier til det unge felt inden for optogenetik. I dag bruger forskere over hele verden disse genetiske lyskontakter til at kontrollere specifikke neuroner i levende dyr og observerer deres roller i en voksende række af hjernefunktioner og sygdomme, herunder hukommelse, afhængighed, depression, Parkinsons sygdom og rygmarvsskade.
Belysning af vejen: Nye teknikker inden for optogenetik gør det muligt at kontrollere individuelle neuroner og hele hjernekredsløb med lysimpulser. Her leverer fiberoptiske ledninger blåt lys til belønningscentrene i musehjernen og konditionerer mus til at foretrække et kammer frem for et andet.
Nu Karl Deisseroth , en af pionererne inden for teknikken, har tilføjet nogle nye værktøjer til det optogenetiske repertoire, der kan fremme studiet af sådanne sygdomme med lyshastighed. En molekylær teknik, der styrer hele kredsløb af neuroner i stedet for en enkelt celle, vil tillade videnskabsmænd at studere rollen af specifikke neurale netværk i hjernen. En ny nær-infrarød teknik, der når hjerneceller i dybt væv, kunne gøre det muligt for forskere at bruge disse teknikker non-invasivt - i øjeblikket skal de implantere et fiberoptisk kabel i et dyrs hjerne for at levere lysaktivering til sådanne celler. Og en forbedret off-knap, der gør målneuroner mere følsomme over for lys, giver mulighed for strammere neural kontrol. Gruppen offentliggjorde sine resultater i den 2. april-udgave af tidsskriftet Celle .
Til dato har videnskabsmænd hovedsageligt koncentreret sig om to lysafbrydere, eller opsiner, for at aktivere eller hæmme neuroner. Det første, kanalrhodopsin, er et protein, der findes i cellemembranerne hos grønne alger. Når de udsættes for blåt lys, åbner disse proteiner membrankanaler og lukker natrium- og calciumioner ind. Når de genmanipuleres til pattedyrneuroner, forårsager disse proteiner lignende iontilstrømning, hvilket aktiverer neuroner. Den anden lyskontakt, en ionpumpe kaldet halorhodopsin, lukker chloridioner ind som reaktion på gult lys, og dæmper neuronen.
Halorhodopsin lyskontakten har dog nogle ulemper. Det dæmper ikke neuroner så effektivt, og det kan bygge op og have toksiske virkninger i hjerneceller. Deisseroths team har udviklet en mere effektiv slukkeknap ved at drage fordel af et fænomen kaldet membranhandel. I stedet for at holde halorhodopsin inde i cellen, konstruerede Deisseroth i det væsentlige molekylære instruktioner til at lede opsinerne gennem cellen til den udvendige membran, hvor den lettere kan reagere på lys og åbne ionkanaler for at hæmme neuroner.
Proteiner bliver sendt rundt i en celle og handlet fra sted til sted med en utrolig kompleksitet, siger Deisseroth. Vi var nødt til at levere det, der svarer til postnumre, bits af DNA på opsinerne, for at overføre dem korrekt til overfladen af membranen. (Ed Boyden, en neurovidenskabsmand ved MIT og en anden optogenetik-pioner, har også udviklet mere effektive sluk-kontakter ved hjælp af proteiner fra svampe og bakterier.)
Holdet fandt ud af, at denne nye slukkeknap reagerer 20 gange mere på gult lys end tidligere generationer. Forskerne fandt også ud af, at selvom gult ser ud til at være den søde plet langs lysspektret til at udløse afbryderen, kan rødt og nær-infrarødt lys også have en effekt. For Deisseroth tyder disse resultater på en fristende udsigt: Det er velkendt, at jo tættere lyset kommer på infrarødt, jo dybere kan det passere gennem væv. Konstruktion af en lyskontakt, der tænder neuroner som reaktion på infrarød, kan åbne dørene til præcis kontrol af kredsløb dybt i hjernen, hvilket potentielt muliggør ikke-invasive behandlinger af sygdomme som Parkinsons og depression.
Jerry Silver , professor i neurovidenskab ved Case Western University, er særligt begejstret for denne nye slukkeknap. Silver bruger optogenetik til at udforske blærekontrol ved rygmarvsskade og har brugt lys til at slukke for nerver, der afslapper blæren. Disse nerver er placeret i den nedre rygsøjle, et særligt sårbart område, og den nuværende generation af halorhodopsiner kræver en høj lysintensitet for at få en målbar effekt.
Vi var bekymrede for, at vi skulle bruge meget lys, hvilket skaber meget varme, siger Silver. Med disse nye værktøjer, der er mere følsomme, har vi måske ikke brug for så meget lys, som genererer mindre varme, og lyset kan invadere vævet meget længere, og det er derfor, jeg er så begejstret for denne nye generation.
Ud over at konstruere en kraftfuld off-kontakt, overgik Deisseroths team en anden stor hindring inden for optogenetik - aktivering af et helt neuralt kredsløb. Mens forskere genetisk kan målrette lysafbrydere til specifikke typer neuroner, er det sværere at identificere og genetisk manipulere cellerne nedstrøms eller opstrøms for disse neuroner. At være i stand til at kontrollere hele kredsløb af neuroner ad gangen, ved lyshastighed, kunne give forskerne en bedre forståelse af de neurale forbindelser, der er involveret i adfærdsmæssige opgaver som indlæring og hukommelse, og sygdomme som depression og tvangslidelser.
For at aktivere et neuralt kredsløb injicerede Deisseroth først en genetisk lyskontakt i en motorneuron hos en mus. Han manipulerede kontakten til kun at virke i nærværelse af et andet molekyle, CRE. Deisseroth injicerede CRE sammen med et menneskehandelsmolekyle i en anden region af musehjernen. Menneskehandelsmolekylet trækker kropsligt CRE fra celle til celle og sporer en rute tilbage til målneuronen, siger han. CRE låser lyskontakten op, og i nærværelse af blåt lys aktiveres neuronen – og hele kredsløbet –.
Vi mener, at det overvinder, eller tager et skridt i retning af at overvinde, de store resterende begrænsninger af optogenetik, siger Deisseroth. Den store udfordring er at bringe disse værktøjer til anvendelse på sygdomsmodeller, og jeg ser patienter med autisme og depression, og vi vil se [for at bruge disse værktøjer] og forsøge at komme til en kredsløbsforståelse af disse sygdomme.