Что такое оптогенетика?

В течение многих лет нейробиологи хотели понять, как поведение и когнитивная деятельность связаны с активностью нейронных цепей. Для исследования этих вопросов, ученые первоначально использовали затратные по времени фармакологические и неточные методы электростимуляции для контроля активности нейронов. Однако, при наличии различных классов нейронов, сообщающихся через обширные, сложные сети и быстрые электрические сигналы, необходимо идентифицировать метод с высоким пространственным и высоким временным разрешением для точного управления отдельными нейронами и причинно-следственной декодировки функции активности нейронных цепей.

В 1979 году Фрэнсис Крик предложил новое решение: использовать свет для управления нейроном (Boyden et al. 2005). Выведенная из этой самой идеи и с усилиями многих других ученых, родилась революционная техника оптогенетики.

Оптогенетика, генетический метод активации или ингибирования отдельных нейронов светом, была изобретена в 2005 году Карлом Дейссеротом и Эдвардом Бойденом (Boyden et al. 2005). Примечательно, что развитие оптогенетики началось с открытия Питера Гегеманна, который успешно экспрессировал деполяризующий синий свет опсин, канал родопсин-2 (ChR2), в клеточной культуре (Nagel et al. 2003).

Развивая эти открытия, Дейссерот и Бойден вирусно экспрессировали ChR2 в нейронах, они впервые продемонстрировали, что нейроны могут быть активированы с помощью синего света (Boyden et al. 2005).

С точностью до миллисекунды оптогенетика позволила быстро контролировать всплески нейронов. В качестве метода, использующего как оптику, так и генетику, термин "оптогенетика" был придуман на основе этих экстраординарных открытий.

Оптогенетически экспрессирующие клетки (в синем цвете) активируются при освещении синим светом

Как работает оптогенетика

Оптогенетика стала возможной благодаря открытию опсинов, таких как ChR2. Опсины - это светочувствительные каналы, которые вызывают деполяризацию или гиперполяризацию клетки через такие механизмы, как приток ионов или белковые сигнальные каскады (Kim et al. 2017). Опсины чувствительны к определенным длинам волн света.

Например, синий свет (~470 нм) активирует ChR2, что приводит к притоку ионов Na+, в свою очередь деполяризующих нейрон (Boyden et al. 2005). Вирусная экспрессия позволила исследователям экспрессировать оптогенетические опсины в мозге животных, таких как грызуны.

Междисциплинарное сотрудничество между нейробиологами, биологами и инженерами привело к расширению оптогенетического инструментария. Опсины были открыты для манипулирования нейронами, включающимися или выключающимися с различной скоростью и с различными длинами волн (см. Таблицу 1).

Например, было обнаружено, что галоргдопсин, ингибирующий опсин, отключает нейроны, а красные активированные опсины, такие как JAWS, проникают глубже в мозг (Kim et al. 2017). Кроме того, вирусные стратегии экспрессии оптогенетических белков в головном мозге усовершенствовались, что позволило ученым манипулировать активностью определенных классов клеток для изучения общемозговых проекций (Kim et al. 2017).

Применения оптогенетической стимуляции

Оптогенетика принесла пользу многим научным областям, позволив ученым контролировать активность различных типов клеток с точностью до миллисекунды.

В нейробиологии оптогенетика позволила ученым причинно-следственно связать нейронные цепи, поведение и функции (Kim et al. 2017). Кроме того, оптогенетика может быть выполнена как в экспериментах in vitro с электрофизиологией, так и в экспериментах со свободным поведением животных, чтобы исследовать связь между типами клеток и поведением. Большое преимущество для нейробиологов состоит в том, что оптогенетика была адаптирована для использования на грызунах, приматах, свободноживущих нематодах, дрозофилах и данио-рерио для изучения нейронных корреляций когнитивной деятельности и поведения.

Как точный метод контроля клеточной активности, оптогенетика оказала влияние на научные области, выходящие за рамки нейробиологии, с недавним вкладом в клеточную биологию и исследования сердца (Repina et al. 2017; Ferenczi et al. 2019).

С клинической точки зрения применение оптогенетики стало использоваться для изучения восстановления зрения и глубокой стимуляции мозга при двигательных заболеваниях (Towne & Thompson 2016).

С помощью причинного-следственного метода для тщательного анализа функции активности нейронов в реальном времени оптогенетика продвинула наше понимание мозга и может однажды привести к значительным клиническим результатам.

Пример, демонстрирующий использование оптогенетики в электрофизиологии (исследование среза мозга)