Optogenetika

Optogenetics je oblast výzkumu a využití kombinující techniky pohledu těm genetiky . Umožňuje světelnou stimulací specificky a lokálně změnit omezený počet buněk geneticky modifikovaných tak, aby na něj byly citlivé, aniž by přímo narušil stav sousedních buněk.

Konceptualizovaný na konci sedmdesátých let byl vysvěcen vyhrazeným slovem v roce 2006, poté zvolen metodou roku přírodními metodami v roce 2010. Mezi aplikace v rostoucím počtu patří jemné mapování neuronových sítí, studium jejich fyziologie a jejich normální a patologická komunikace a potenciální lékařské zásahy obnovující například sluch nebo zrak.

Zásada

Optogenetika je založena na vložení molekul citlivých na světlo do membrány nervové buňky, které pod vlivem světelné stimulace upraví stav polarizace membrány. Neurony kódující informace do elektrických signálů, které spouštějí uvolňování neurotransmiterů z nervové buňky, a tyto vysílače modulující aktivitu neuronů patřících do stejné sítě, světelná indukce změny polarizace sestupuje do řízení aktivity buňky modifikované a buňky ve své síti.

Genetický

Genetická část optogenetiky je založena na vložení do genomu cílených nervových buněk genu kódujícího „fotoaktivovatelný“ protein , tj. Jehož biologická aktivita závisí na světle, ve kterém je vystaven; jsou to nejčastěji proteiny bakteriálního původu opsinového typu . Genomickou inzerci sekvence kódující opsin lze provést dvěma různými způsoby:

Optický

Opsiny produkované hostitelskými buňkami mohou být aktivovány světlem určité vlnové délky pomocí optického vlákna přímo implantovaného do mozku zvířete. Kanály vytvořené opsinem se otevírají a v závislosti na jejich povaze mohou způsobit depolarizaci nebo hyperpolarizaci neuronu. To vede k pozorování výsledků chování a elektrofyziologickým záznamům. Tato technika má nyní širokou škálu opsinů, reagujících na různých vlnových délkách. Dva hlavní jsou:


Materiály pro optické aplikace

Úspěch experimentu závisí na optickém zařízení (např. Integrovaných optických vláknech a polovodičových světelných zdrojích), které dodávají světlo konkrétním buňkám, dokonce i hluboko v mozku, kontrolovaným způsobem a zároveň umožňují zvířatům chovat se svobodně.

Nejčastěji toho lze dosáhnout použitím diod vázaných na optické vlákno zavedených v roce 2007. Aby se zabránilo použití implantovaných elektrod, je do lebky myší implantováno průhledné „okénko“ zirkonia, které umožňuje vlnové optice proniknout hlouběji, aby stimulovalo nebo inhibovalo jednotlivce neurony.

Stimulaci povrchových oblastí mozku, jako je mozková kůra, zajišťují optická vlákna nebo LED diody umístěné přímo na lebce zvířete. Pro hlubší oblasti mozku by měla být použita optická vlákna pronikající pod povrch. Kromě přístupů z optických vláken, které nutí zvíře zůstat v blízkosti experimentálního zařízení, byly vyvinuty plně bezdrátové techniky s bezdrátovým napájením a přenosnými LED pro bezbariérovou studii komplexního chování v organismech.

V poslední době se pro světelný zdroj používají organické LED diody (OLED). Operace v pulzním režimu umožňuje, alespoň in vitro , stimulaci neuronů v kompatibilní teplotní oblasti, jejíž časová přesnost řízení je řádově milisekundová.

Historický

Vědci se po dlouhou dobu snažili pochopit, jak mozek funguje, zejména jeho zásah do vytváření pohybů. Celá práce zaměřená na stimulaci a vizualizaci neuronální aktivity přispěla k nástupu optogenetiky.

Objev kanálu rhodopsinu (ChR2) v řase týmy Hegemanna a Nagela

První studie o savcích, kterou provedli Ed Boyden a neurolog a psychiatr Karl Deisseroth  (en) ve Stanfordu s kanálrhodopsinem, aby zjistili, že zavedení mikrobiálního genu pro opsin indukuje reakci vybraných neuronů.

Rozvoj využití

Cílem optogenetiky je mít prostředky stimulace, které jsou přesné v čase (stimulace a zastavení stimulace). Studované zvíře má vlastní kontrolu, na rozdíl od technik genetické modifikace ztráty nebo získání funkcí knock-out myši . Charakteristickým znakem optogenetiky je zavedení rychle světelně aktivovaných kanálů a enzymů, které umožňují velmi přesnou manipulaci s elektrickými a biochemickými událostmi v průběhu času. Tato technika umožnila lepší pochopení určitých neurodegenerativních patologií, jako je Parkinsonova choroba .

Tato technika, která se narodila v neurovědě, se nyní rozšiřuje na všechny typy buněk a postupuje prostřednictvím použití jiného typu opsinu, jako je melanopsin, který indukuje metabolické změny ve všech typech buněk. Díky tomuto proteinu je možné spojit kanály citlivé na světlo a receptory spojené s G proteiny k definování koncentrace intracelulárního druhého posla, cAMP a IP3 v cílových buňkách.

Poznámky a odkazy

  1. Neurovědecký zpravodaj č. 40 , „Nové v neurovědě“, autor: Philippe Isope a Matilde Cordeo-Erausquin, s. 17-19 (PDF)
  2. Le monde 09/27/2011, „Optogetics: ordering cell by light“ od Françoise Ibarranda a Guy Abeille
  3. Alexander M Aravanis , Li-Ping Wang , Feng Zhang a Leslie A Meltzer , „  Optické neurální rozhraní: in vivo kontrola mozkové kůry hlodavců pomocí integrované optické a optogenetické technologie  “, Journal of Neural Engineering , sv.  4, n o  3,1 st 09. 2007, S143 - S156 ( ISSN  1741-2560 a 1741-2552 , DOI  10.1088 / 1741-2560 / 4/3 / S02 , číst online , přistupováno 27. června 2020 )
  4. (v) Jasaman Damestani , CariSSA L. Reynolds , Jenny SZÚ a Mike S. Hsu , "  Transparentní nanokrystalické oxidem yttritým stabilizovaný oxid zirkoničitý-calvarium protéza  " , Nanomedicína: nanotechnologie, Biology and Medicine , sv.  9, n o  8,listopad 2013, str.  1135–1138 ( DOI  10.1016 / j.nano.2013.08.002 , číst online , přistupováno 27. června 2020 )
  5. (in) Bruno FE Matarese Paul LC Feyen , John C. Mello a Fabio Benfenati , „  submilisekundová kontrola vypalování neuronů organickými diodami emitujícími světlo  “ , Frontiers in Bioengineering and Biotechnology , sv.  7,2019( ISSN  2296-4185 , PMID  31750295 , PMCID  PMC6817475 , DOI  10.3389 / fbioe.2019.00278 , číst online , přistupováno 27. června 2020 )
  6. (in) Amanda Schaffer , „  Zaměření na to, jak nám mozek pomáhá hledat potěšení a vyhýbat se chlebu  “ , MIT Technology Review ,červen 2017( číst online , přístup k 30. červnu 2017 )
  7. Science vol.324 n ° 5925 , „Optická dekonstrukce parkinsonského nervového okruhu“, autorky: Viviana Gradinaru, Murtaza Mogri1, Kimberly R. Thompson1, Jaimie M. Henderson a Karl Deisseroth, str. 354-359

Podívejte se také

Bibliografie

Videografie, audiografie

externí odkazy