Оптогенетика как метод манипулирования активностью определенных нейронов с помощью света имеет два основных преимущества:
1. Миллисекундная временная точность
2. Генетически определенная пространственная точность
Временная точность позволяет исследователям включать и выключать нейроны с точностью до миллисекунды. Она позволяет точно имитировать скорость возбуждения нейронов в мозге.
Пространственная точность позволяет исследователям манипулировать активностью явных генетически определенных популяций нейронов (например, ингибирующих нейронов). Это обеспечивает прямую причинно-следственную связь между манипулированием генетически определенной популяцией и измеряемой переменной.
В оптогенетических экспериментах стимулируются только нейроны, экспрессирующие оптогенетический зонд, что приводит к активации или ингибированию специфической нервной активности (в зависимости от экспрессируемого зонда).
Однако стандартные оптогенетические источники света могут освещать только все поле и, как следствие, стимулировать все нейроны, экспрессирующие оптогенетический зонд. Такая система может быть подходящей для некоторых экспериментов, в которых все оптогенетически экспрессирующие клетки стимулируются одновременно, но более продвинутые эксперименты могут потребовать более специфичную систему для селективной стимуляции отдельных нейронов.
Способность освещать отдельные нейроны в популяции оптогенетически экспрессирующих нейронов называется оптогенетикой клеточного разрешения (Shemesh et al. 2017). Этот метод требует более сложной пространственной специфики для селективной стимуляции отдельных нейронов в пределах оптогенетически экспрессирующей популяции.
Сравнение оптогенетической стимуляции широкого поля и клеточного разрешения
Способность освещать определенные отдельные нейроны не является ограничением оптогенетики как таковой, но ограничением стандартных оптогенетических источников света, используемых в большинстве оптогенетических систем. Стандартные источники света могут освещать только все клетки в пределах поля обзора, и они не имеют никакой возможности контролировать конкретное место освещения, чтобы нацелиться на отдельные нейроны.
Развитие пространственно ориентированных световых технологий позволило исследователям контролировать место освещения образца, например, отдельную клетку, что делает возможной оптогенетику клеточного разрешения (Ronzitti et al. 2017). Например, цифровое микрозеркальное устройство (DMD), такое как Polygon от Mightex, позволяет исследователям освещать несколько отдельных нейронов или областей одновременно для выполнения оптогенетики клеточного разрешения.
Оптогенетика клеточного разрешения имеет множество применений в области нейробиологии. Например, ученые могут изучать нейронные цепи и декодировать нейронные паттерны на уровне отдельных нейронов (Anastasiades et al. 2020; Tran et al. 2019). Эти типы исследований проводились как in vitro, так и in vivo с использованием различных технологий (Shemesh et al. 2017; Anastasiades et al. 2020; Tran et al. 2019; Chen et al. 2019). Экспериментальные приложения для оптогенетики клеточного разрешения практически бесконечны.
