Словарь

        История
 

    Впервые принцип использования оптогенетики, который заключается в том, что этот метод позволяет выявлять возбуждения нейронов (возникновение потенциала действия), был описан Геро Мизенбёком (Miesenböck) в 2002 году. Он также первым использовал оптогенетику для наблюдения за поведением животных. Термин "оптогенетика" впервые был использован в 2006 году для обозначения быстрого метода при котором используются новые высокоскоростные оптические методы исследования и контроля генетически отмеченых нейронов в нейрональных сетях. В течение следующего года, этот термин, использовался для описания этой новой техники на страницах журналов Science и Nature, в ряде общеразвивающих и научно-технических публикаций и сегодня он широко используется для характеристики новой области. В 2010 году журнал Nature Methods назвал оптогенетику методом года.

 

    Основной чертой оптогенетики является введение светло-активных каналов и ферментов, которые позволяют изменять нейронную активность с точностью до миллисекунд при сохранении возможности выявить тип клетки (сохранение типа клетки) с помощью использования конкретных целевых механизмов.

 

       Описание
 

    Поскольку мозг является высокоскоростной системой, то использование точной миллисекундной шкалы занимает центральное место в концепции оптогенетики, поскольку позволяет определить роль конкретного потенциала действия в определенных клетках. Если говорить о традиционной генетике, то она используется для исследования роли специфических белков внутри клеток, путем искусственного уменьшения их функциональности, или усиление их активности для того, чтобы выявить, как генетический код регулирует развитие и поведение организма. Соответственно, для исследования нейронного кода, оптогенетика, согласно определению должна использовать методы, которые усиливают или ослабливают активность конкретных клеток мозга интактных животных, в т.ч. млекопитающих.

 

      Временная точность традиционных генетических манипуляций довольно медленная, от нескольких часов или дней до нескольких месяцев. Отличительной чертой оптогенетикы является введение светло-активных каналов и ферментов, которые позволяют контролировать нейронную активность с точностью до миллисекунд при том, что клетки остаются такими, что можно их тип идентифицировать с помощью использования специальных механизмов контроля. Это дает возможность изменять потенциал действия определенных частот в выбранных клетках мозга, отвечающих за поведение животных.

     О важности выборочного контроля по значению потенциала действия в выбранных подтипах клеток головного мозга (например, использование света для управления оптически сенсорными нейронами), впервые сообщил Френсис Крик (Francis Crick) в своем курсе лекций (Kuffler Lectures), которые он читал в Калифорнийском университете Сан-Диего.

      Несколько генетико-целевых методов фотостимуляции появились в 2002-2005 годах. Сначала это былоиспользование опсинов группой Мизенбёка, а позже исследовательские группы во главе с Крамером и Исакофом (Kramer and Isacoff), отметили, что через различные технические недостатки (которые возникают при попытке контролировать частоту активности нейронов) эти методы не позволяют полностью управлять процессом определение потенциала действия, а значит и поведением исследуемых млекопитающих.

        В 2005 году благодаря работе группы Дайсерота (Deisseroth) (Эд Бойден, Фэн Чжан и др., Бойден 2005) в Стэнфордском университете, а позже группы Бойдена (Boyden) в Массачусетском технологическом институте (МИТ), в нейробиологии начали использовать несколько новых микробных опсинов , которые содержали ген канального родопсина-2 (Channelrhodopsin-2). 
    
Channelrhodopsin-2 – это белок водорослей, образующий одно-компонентный светло-чувствительный катионный канал, позволяющий осуществлять контроль за поведением животных с точностью до миллисекунды. То есть, для такой высокотехнологичной и сверхточной работы, необходима нормальная деятельность только одного гена, который будет реагировать на световые излучения видимого спектра с помощью хромофора (хромофора сетчатки), который поступает в ткани мозга млекопитающих по ChR2. Экспериментальная польза ChR2 была доказана при использовании на различных животных моделях, начиная от контроля за поведением млекопитающих до классических моделей таких организмов, как мухи, черви и данио рерио (zebrafish), начиная с 2005 года на сотнях групп животных было использовано ChR2 и связанные с ним микробные белки для изучения нейронных цепей.
 

    Среди микробных опсинов, которые могут быть использованы для

 исследования функций биологических нейронных сетей следует отметить такие как ChR2 (Channelrhodopsins) и VChR1 для возбуждения нейронов, галорходопсин (Halorhodopsin (NpHR)), архерходопсин (Archaerhodopsin (Arch)) и грибковые опсины, такие как опсин Leptosphaeria maculans (Mac) - для подавления деятельности нейронов.

 При сочетании опсинов позвоночных животных со специфическими рецепторами G-белков, были созданы химерные фотодатчики, позволяющие исследователям регулировать концентрацию определенных внутриклеточных мессенджеров, таких как цГМФ, цАМФ и  IP3 в отдельных клетках и изменять таким образом поведение млекопитающих.     

    Фотоактивированные аденилат циклазы (PACs) полученые с евглены зеленой (Euglena) и морских бактерий могут использоваться для контроля за уровнем цАМФ в отдельных нейронах. PACs, содержащиеся в нервной системе мух, вызывают быструю смену поведения в результате реакции на действие синего света. Постоянно растущее количество оптогенетических методов исследования (зондов) позволяет осуществлять точный контроль над мембранным потенциалом действия и другими мессенджерами отдельных клеток интактных животных.

 

        Эти задачи, на сегодня зачастую решаются за счет использования оптико-волоконных диодных технологий, которые впервые применили в 2007 году. Для того чтобы стимулировать поверхностные области мозга, такие как кору головного мозга, как правило, оптические волокна или светодиоды устанавливаются непосредственно на череп животного. Более глубокая имплантация оптических волокон были произведена для того, чтобы свет попал в более глубокие участки мозга. Главное преимущество микробных опсинов (включая ChR2, VChR1, NpHR, и Arch), как отмечалось выше, заключается в том, что они могут полностью самостоятельно действовать в мозге млекопитающих без экзогенных кофакторов. У беспозвоночных животных, например червей и мушек некоторое количество транс-ретиналя все же должно поступать вместе с пищей.

 

     Оптогенетика позволяет понять, как конкретные типы нейронных клеток влияют на функционирование нейронных цепей в естественных условиях.

 

     Прогрессивные исследования оптогенетики в дальнейшем могут иметь важное влияние на появление методов лечения болезни Паркинсона и других неврологических и психических расстройств. Действительно, в оптогенетических исследованиях 2009 года очень много материалов, касающихся изучения нейронных механизмов, имеющих отношение к болезни Паркинсона, аутизма, шизофрении, наркомании, депрессии.