光遗传学:收获神经元控制光的力量

赞誉“方法”和“突破的十年中,“很容易假定optogenetics-a科学技术打开和关闭神经元使用光,事实上,一个改变游戏规则的技术。这项技术已经显示了承诺治疗失明,¹减轻癫痫,²的大脑疾病如帕金森病的遗传原因。³也起到了很大的作用,使NIH的大脑倡议,旨在将人类大脑活动的每一个细胞。但是,它达到炒作吗?什么使用光遗传学的未来除了简单地研究大脑如何工作的也很有用在治疗自闭症等疾病,创伤后应激障碍,和抑郁?

最基本的

光遗传学使用光来控制神经元,人为地对光照敏感。在实验室里,科学家利用病毒将光敏蛋白质基因引入神经元。首次发现在微生物,这些天然的蛋白质,称为视蛋白反应。一些蛋白质反应光通过将神经元,或促使他们火,而其他关闭神经元活动。这样,光遗传学目标具体、修改神经元以发现它们的功能和它们是如何在更大的神经网络连接。

卡尔戴瑟罗斯博士在2005年斯坦福大学生物工程教授、霍华德•休斯医学研究所的一员,然后学生博士爱德华Boyden麻省理工学院(现在的)和冯博士张(现在还在麻省理工学院),发表第一篇论文演示使用微生物视蛋白基因来控制神经活动。⁴在2010年,自然方法名为光遗传学”的方法,“⁵和科学称之为一个“十年的突破。”⁶

当前的方法

光遗传学确实,自2005年以来取得了长足的进步。其最有价值的功能作为一种先进的神经科学工具是它提供了一个无与伦比的精度水平的能力影响特定的神经元在一个特定时间。

视蛋白的蛋白质来自细菌或藻基因组,他们满足他们的角色作为光控膜离子通道。视蛋白基因引入特定的神经元通过转染病毒转移基因及其启动子进入宿主细胞的基因组。“成千上万的世界各地的实验室正在使用这些optogenetic技术,和成千上万的论文已发表与这些方法,”戴瑟罗斯说。

有许多工具在使用,包括工程视蛋白,可以针对单个神经元,组的神经元和大脑区域之间的连接。修改视蛋白包括工程识别不同颜色的光(红色、蓝色或黄色);那些被激活或快或慢;和那些简单地打开或关闭神经元,导致二进制电路有很多未来的应用,如改变记忆。戴瑟罗斯说,Opsin-targeting策略也使用专门的病毒,只有视蛋白基因插入细胞的兴趣。“一个关键时刻是当我们能够解决微生物通道视蛋白的结构,它允许我们工程师。”^7、8、9

最近,Ed Boyden麻省理工学院的团队开发了一种“快速”叫做Chronos视蛋白,¹⁰以及两个敏感的视蛋白,红灯,Chrimson和下颚,¹¹神经元的激活和沉默。Boyden指出,真好”文化中根深蒂固的组织,因为它“达到区域以前贱民标准光纤工具组成的激光光发送到非常小的植入光纤。¹²“应用光遗传学的障碍之一是如何交付组织或身体深处,”博士Hiromu Yawo,神经科学家做尖端视蛋白工程东北大学,说。今天光纤光源主要是使用;然而,戴瑟罗斯表明双光子光的“斑点”已经成功地用于生活的动物。

挑战

当梦到未来的光遗传学,是很重要的考虑,它仍然处于初期阶段。“我们没有好的地图的大脑,所以使用光遗传学对于许多科学问题是困难的,”鲍登说。“我们不经常知道刺激”。

激活脑深部组织也是有问题的。”的可见光被组织吸收,光源必须嵌入到深层组织的optogenetic操纵,“Yawo说。红外线可以深入,但到目前为止没有对这种类型的光视蛋白敏感。此外,病毒载体是很难适用于人类;神经元选择性取决于目标启动子达到其在基因组的位置。根据Yawo,这些启动子在人类“大多不明”。“即使发现,基因往往是太大提供有效或者太弱,无法产生足够数量的分子产生反应。”

也有成本。戴瑟罗斯说,“主要缺点包括与目标相关联的光功率需求大量的单独指定的细胞。这需要相当先进的和昂贵的激光。“然而,标准光遗传学控制“实际上是相对简单和廉价的现在,我们运行斯坦福大学培训课程来帮助人们在开始,”他说。

应用程序

虽然一直主要用来研究单个神经元如何火单独或与其他神经元或神经元回路,最近的一系列论文帮助阐明许多不同疾病的途径。例如,研究表明使用光遗传学D1和D2细胞在纹状体多巴胺受体(类型)¹³和丘脑核¹⁴在老鼠中,来探讨他们在帕金森病的角色。其他工作涉及到发现细胞可以改变恐惧记忆操作,适用于治疗创伤后应激障碍综合症以及其他疾病围绕条件性恐惧反应;¹⁵阐明孤独症相关的神经网络;¹⁶多巴胺和测试之间的因果关系表达式和正面强化心理健康疾病如上瘾¹⁷和抑郁。¹⁸临床上,光遗传学理论上可以用于治疗帕金森氏症等疾病,创伤后应激障碍、孤独症、精神分裂症、上瘾,和抑郁的,等等。

光遗传学的未来似乎是敞开的。GenSight生物制剂¹⁹,创立的公司领导人在眼科领域的光遗传学,目标是使用技术治疗引起的失明疾病造成视网膜细胞的损失,包括青光眼和视网膜色素变性。其他细胞类型上使用光遗传学在研究实验室已经获得了一些动力,是心肌细胞和干细胞的一些主要non-neuronal目标。也是适应生物化学的研究,而不是电气、事件、“打开门来控制特定事件的任何细胞生物学,”戴瑟罗斯说。根据Yawo、事件等“离子微环境、信号转导、酶活性和基因调控的目标下现在光遗传学”。

光遗传学也正在与其他技术结合使用,加快翻译从实验室到诊所。在最近的一次科学纸,^20.日内瓦大学的科学家们使用了一个行之有效的脑深部刺激来发光——这种工具来治疗帕金森症,而且药物阻止特定的多巴胺受体产生“optogenetic-like”效应在实验室老鼠。最终,老鼠的可卡因使用减少,强调人类的可能性实现同样的效果没有解决,应用光遗传学技术障碍。

“未来是继续广泛使用作为研究工具,“戴瑟罗斯说,推进我们仍然很小的了解单个神经元函数在较大的电路。事实上,当涉及到大脑,整个远远大于各部分的总和,光遗传学可能是最好的选择,探索不仅深,但广泛。

编者按:听Ed Boyden讨论他的研究科学家的按需网络研讨会:新的模型和工具研究突触的发育和功能。

引用

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