Svetloba neposredno v možgane

Svetloba neposredno v možgane

Dmitry Mamontov
"Popularna mehanika" št. 5, 2014

Metode fotonike so že revolucionirale telekomunikacijsko industrijo. Zdaj v vrsti – biologija.

Raziskovalec Laboratorija za fotoniko in nelinearno spektroskopijo oddelka za fiziko na moskovski državni univerzi Lyubov Amitonova prikazuje svetlobni vodnik za optogenetske raziskave

Na zaslonu – običajna laboratorijska miška. Iz za okvirjem se dve glavi tanka vlakna povlečejo v glavo. Ona sedi in nato začne teči v krogu. Na prvi pogled, ni zelo impresivno. Čeprav seveda miška ni povsem normalna: nevroni v njenih možganih neposredno nadzirajo svetlobni impulzi. To je tipičen prikaz metode, ki je v zadnjem desetletju povzročila resnično revolucijo na področju nevrobiologije – optogenetike.

Senzorji in aktuatorji

"Kaj je optogenetika? To je uporaba gensko kodiranih indikatorskih molekul, ki lahko služijo kot senzorji za biološke procese, ki se pojavljajo v celicah, in lahko zaradi svojih optičnih lastnosti (fluorescence pod vplivom laserskega sevanja ali notranje svetlobe) o tem obvesti raziskovalce", pravi Konstantin Anokhin, vodja Oddelek za nevroznanost, NRC "Kurchatov Institute", vodja Laboratorija za nevrobiologijo, pomnilnik, Inštitut za normalno fiziologijo, Ruska akademija medicinskih znanosti.- To je tako imenovana neposredna optogenetika. In tam je tudi nasprotno – to je uporaba gensko kodiranih molekul, aktuatorjev, ki lahko, ko jih vzbudi svetloba, spremenijo delo celice. Med aktuatorji najpogosteje zdaj uporabljajo ionske kanale bakterij ali alg. Če se z uporabo genskega kodiranja ti kanali vstavijo v celične membrane sesalcev, se odprejo kot odziv na svetlobo določenih valovnih dolžin, prehoda ionov in s tem na spreminjanje električnega potenciala celic. Optogenetika je bila največja pri študiji celic živčnega sistema, zlasti možganov. "

Kako deluje optogenetika
Z uporabo optogenetskih metod lahko raziskovalci vplivajo na izbrane nevrone, ki uporabljajo lahke impulze ")"> Kako deluje optogenetika
Z uporabo optogenetskih metod lahko raziskovalci vplivajo na izbrane nevrone z uporabo svetlobnih impulzov "border = 0> Kako deluje optogenetika
Z uporabo optogenetskih metod lahko raziskovalci vplivajo na izbrane nevrone z uporabo lahkih impulzov.

Udarci

Prve eksperimente na področju optogenetike so bile opravljene v laboratorijih Yale University, Kalifornijske univerze v Berkeleyju in Stanfordu pred približno desetletjem, vendar je metoda že prejela revolucionarni ugled med nevroznanstveniki. "V možganski skorji je veliko različnih vrst nevronov, ki opravljajo različne funkcije," pojasnjuje Konstantin Anokhin. "Ti nevroni so integrirani v omrežja, ki so dejansko možgani, da bi razumeli, kako te mreže delujejo, morate poseči v svoje delo. To so dosegli z metodami "bombardiranja preprog". Predstavljajte si možgane v obliki megalopolisa, v katerem deluje zelo majhna, ducat ljudi, vohunska mreža. Torej, prej, da se naučimo mehanizma te mreže, smo sorazmerno govorili o atomski boji na mestu, od n Nismo imeli drugega orožja. Optogenetiko je mogoče primerjati glede selektivnosti z natančnimi napadi: senzorji ali aktuatorji se lahko vstavijo, na primer samo v želeno vrsto celic in delujejo na njih. To znanstvenikom omogoča predhodno nedosegljivo selektivnost vpliva in sposobnost razumevanja subtilne delo posameznih mrežnih elementov v možganih. "

Dodatek, vendar ne prekličete

Bilo bi popolnoma napačno domnevati, da bodo s prihodom optogenetike vse druge metode raziskovanja možganov v preteklosti. Seveda ima optogenetika pomembne prednosti v obliki selektivnih učinkov, natančnosti in možnosti vzbujanja in zaviranja nevronov. Vendar pa imajo obstoječe metode, kot so elektroencefalografija (EEG), magnetna encefalografija (MEG), pozitronska emisijska tomografija (PET), registracija potenciranih potencialov, snemanje delovanja posameznih nevronov z uporabo mikroelektrod, funkcionalno magnetno resonančno slikanje (fMRI). Na primer, funkcije višje živčne aktivnosti, povezane z zavestjo človeka, je mogoče raziskati z uporabo fMRI, ne pa z metodami optogenetike, ki se uporabljajo samo za živali. Poleg tega metode, kot sta fMRI in MEG, omogočajo, da vidimo globalno sliko o tem, kaj se dogaja v možganih, medtem ko je optogenetika samo lokalna območja.

Vklopite in izklopite

Druga pomembna točka optogenetike je možnost dvosmernega natančnega nadzora delovanja mrež v možganih.V preteklosti so za stimulacijo posameznih področij elektrode, ki so bile implantirane v možgane, uporabile električne impulze, vendar pa tak učinek omogoča samo vzburjenje nevronov, poleg tega pa je precej grob in "inercialen". S pomočjo optogenetike lahko učinek učinkuje zelo tanek, to pomeni, da je mogoče izvesti tudi zelo kratke impulze in ne le vzbujati, temveč tudi upočasniti potrebne nevrone. Slednji lahko igrajo pomembno vlogo ne samo v osnovnem nevroznanstvu, temveč tudi v uporabni medicini: na primer, z uvedbo aktuatorjev v nevronov v središču epileptične aktivnosti in z vključevanjem "zaviranja" se lahko epilepsijski napad prekine.

Svetlobni občutljivi ionski kanali vam omogočajo nadzor nad nevroni. Chanrodropsin-2 (ChR2) pod vplivom modre svetlobe z valovno dolžino 470 nm odpira natrijeve ione v celico, kar vodi k vzbujanju nevrona in halorodopsin (NpHR) pod delovanjem rumene svetlobe (589 nm) odpira dostop do klorinskih ionov, upočasni nevron

Fotonika

V laboratorijih Fizikalne fakultete Univerze v Moskvi in ​​ruskega kvantnega centra se razvijajo optične metode in sistemi za eksperimente, ki se izvajajo v laboratoriju nevroznanosti v Raziskovalnem in razvojnem centru Kurchatov."Vmesniki optičnih vlaken so orodje za širok nabor nalog, ki niso omejene na optogenetiko," pravi Alexey Zheltikov, vodja fotonike in nelinearne spektroskopije na oddelku za fiziko v Moskvi, vodja skupine Advanced Photonics v ruskem Quantum Centru. kvarčno jedro, obkrožen z lupino, v kateri je zaradi celotnega notranjega odsevovanja svetlobni impulz "zaklenjen" in razvite nove vrste svetlobnih vodnikov – mikro rukturirovannye in fotonski kristal ".

Delajte svetlobe

Fotonika je področje znanosti in tehnologije, kjer raziskovalci delujejo fotoni na enak način, kot se elektroni obdelujejo v elektroniki. V okviru fotonike se razvijajo različni viri fotonov (od laserjev in LED do sinhrotronov), fotonske žice – optičnih valovodov in vlaken, optičnih ojačevalnikov, naprav za krmiljenje pretoka fotonov (vključno fotonskih kristalov) in različnih detektorjev.

Kaj so fotonski kristali? To, pojasnjuje Alexey Zheltikov, samskiDve ali tridimenzionalne strukture z obdobjem reda valovne dolžine: "Takšna struktura daje fotonskim kristalom nenavadne optične lastnosti – recimo, lahko svetloba propagira v nekaterih smereh, ne pa v drugih. z mavričnimi barvami je periodična struktura. Mikrostrukturirane in fotonsko-kristalne svetlobne vodice imajo tudi kompleksno prečno strukturo, osnovne lastnosti svetlobnega polja pa so odvisne od njegove geometrije. merjenje in vsebnost zraka v valovodu, lahko dobite vlakna z različnimi lastnostmi. zračno režo kvarčnega jedra, lahko povečate nelinearnost vlaken in dobite nelinearne optične učinke tudi pri impulzi z nizko močjo. "

Oglejte si spomine

"V možganih obstajajo funkcionalna porazdeljena celična omrežja," pravi Konstantin Anokhin."Da bi razumeli, kako delujejo, kako nastanejo, kako komunicirajo med seboj, kako oblikujejo spomin, potrebujemo orodja za selektivno sledenje in vplivajo na elemente takih omrežij. Naučili smo se, da to storimo – našli smo gene, ki se aktivirajo v času nastanka mreže živčnih celic. Želimo povezati optogenetične senzorje in aktuatorje na te gene. To bo omogočilo vizualizacijo nevronov ob nastanku omrežja ali pa jih selektivno aktivirati, pri čemer se bodo izločili spomini. "

Nelinearna vizija

Seveda lahko za optogenetične nevronske vmesnike dobite veliko preprostejše rešitve. Toda laboratorij Alekseja Zheltikova razvija tudi druge metode za proučevanje bioloških sistemov, ki temeljijo na nelinearnih optičnih učinkih. Glavni problem je, da ti učinki zahtevajo visoko intenzivnost svetlobnega sevanja. V biološkem tkivu nastane ionizacija, ki sproži številne fotokemične reakcije, energija impulza pa se absorbira in uniči celico. Zato je ena od najpomembnejših nalog v nelinearni mikroskopiji pridobiti najkrajše možne impulze, medtem ko je močno povečati intenzivnost, vendar zmanjšati celotno energijo impulza.Zato se uporabljajo fotonsko-kristalna vlakna s potrebnimi parametri, kjer se laserski impulz "stisne", ko gre.

Periodična prečna struktura mikrostrukturirano (na levi strani) ali fotonskega kristala (na desniVlakno vam omogoča spreminjanje različnih optičnih lastnosti, kot so disperzija in nelinearnost. To omogoča nadzor nad spektralnimi ali časovnimi značilnostmi laserskih impulzov – na primer, jih stiskati, jih raztegniti, razširiti ali jih prestaviti v frekvenco.

Tipičen primer nelinearnega optičnega učinka je dvofotonska mikroskopija, to je luminescenca na resonančno absorpcijo dveh fotonov. Kot etiketo se običajno uporablja znani zeleni fluorescentni protein GFP, katerega gen je vnesen v želene celice. Dvofotonska fluorescenca vam omogoča selektivno »vžiganje« želenih področij vzorca pod vplivom bližnjega IR sevanja. Prednost tega pristopa je, da infrardeče sevanje prodre globlje v biološka tkiva kot vidna, tako da se ta metoda lahko vizualizira v vzorcu na globini približno 1 mm.

"Metoda dvofotonske luminescence zahteva prisotnost GFP proteina v vzorčni celici, vendar je mogoče storiti, da nalepka sploh ni potrebna!" Pravi Alexey Zheltikov. vidimo razprševanje svetlobe na teh frekvencah, lahko sklepamo, da so na voljo te molekule. Na tej osnovi temelji mikroskopija CARS, ki uporablja učinek koherentnega proti-Stokovega razprševanja svetlobe. Toda običajno CARS potrebuje nastavljiv laser, kastrirati V našem laboratoriju smo našli način, kako narediti brez posebnega nastavljivim laserjem :. uporabljamo glavno laserski žarek in je posebej zasnovan fotonski kristal vlaknine, ki vam omogoča, da premik impulzov s frekvenco ".

Načelo CARS-mikroskopije je sestavljena iz uporabe koherentnih laserskih žarkov – črpanja in Stokesa, ki morajo natančno upadati v resonanco z naravno frekvenco molekule. Črpalka lahko deluje kot preskusni žarek. Signal na ustrezni frekvenci vam omogoča, da vidite "prave" molekule


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: