Словничок

         Історія
 

       Вперше принцип використання оптогенетики, який полягає в тому, що метод дозволяє виявляти збудження нейронів (виникнення потенціалу дії), був описаний Геро Мізенбьоком (Miesenböck) у 2002 році. Він також першим використав оптогенетику для контролю над поведінкою тварин. Термін "оптогенетика" вперше був використаний у 2006 році для позначення швидкого методу при якому використовуються нові високошвидкісні оптичні методи дослідження і контролю генетично помічених нейронів у нейрональних мережах (колах). Впродовж наступного року, цей термін, використовувався для опису цієї нової техніки на сторінках журналів Science і  Nature, у ряді загально-розвиваючих та науково-технічних публікацій і сьогодні він широко використовується для характеристики цієї нової області. У 2010 році журнал Nature Methods  назвав оптогенетику методом року.

 

   Основною рисою оптогенетики є введення світло-активних каналів і ферментів, які дозволяють змінювати нейронну активність з точністю до мілісекунд при збереженні можливості виявити тип клітини (збереження типу клітини) з допомогою використання конкретних цільових механізмів.

 

      Опис
 

    Оскільки мозок є високошвидкісною системою, то використання точної мілісекундної шкали займає центральне місце у концепції оптогенетики, що дозволяє визначити роль конкретного потенціалу дії у визначених клітинах. Якщо говорити про традиційну генетику, то вона використовується для дослідження ролі специфічних білків всередині клітин, шляхом штучного зменшення їх функціональності, або підсилення їхньої активності для того, щоб виявити, як генетичний код регулює розвиток та поведінку організму. Відповідно, для дослідження нейронного коду, оптогенетика, згідно з визначенням повинна використати методи, які посилюють або послаблюють активність конкретних клітин мозку інтактних тварин, в т.ч. ссавців.

 

    Часова точність традиційних генетичних маніпуляцій досить повільна, від декількох годин або днів до декількох місяців. Відмінною рисою оптогенетики є введення світло-активовних каналів і ферментів, які дозволяють контролювати нейронну активність з точністю до мілісекунд при тому, що клітини залишаються такими, що можна їх тип ідентифікувати з допомогою використання спеціальних механізмів для контролю. Це дає можливість змінювати потенціал дії певних частот у вибраних клітинах мозку, які відповідають за поведінку тварин.

     Про важливість вибіркового контролю за значенням потенціалу дії у вибраних підтипах клітин головного мозку (наприклад, використання світла для управління оптично-сенсорними нейронами), вперше повідомив Френсіс Крік (Francis Crick) у своєму курсі лекцій (Kuffler Lectures), які він читав у Каліфорнійському університеті Сан-Дієго.

   Кілька генетико-цільових методів фотостимуляції з’явилися у 2002-2005 роках. Спочатку це було використання опсинів групою Мізенбьока, а пізніше дослідницькі групи на чолі з Крамером і Ісакофом (Kramer and Isacoff), зазначили, що через різні технічні недоліки (які виникають під час спроби контролювати частоту активності нейронів) ці методи не дають змоги повністю керувати процесом визначення потенціалу дії, а отже і поведінкою досліджуваних ссавців.

       У 2005 році завдяки роботі групи Дайсерота (Deisseroth) (Ед Бойден, Фен Чжан і ін., Бойден 2005) у Стенфордському університеті, а пізніше групи Бойдена (Boyden) у Массачусетському технологічному інституті (МІТ), у нейробіології почали використовувати декілька нових мікробних опсинів, які містили ген канального родопсину-2 (Channelrhodopsin-2).

       Channelrhodopsin-2 – білок водоростей, який утворює одно-компонентий світло-чутливий катіонний канал, що дозволяє здійснювати контроль поведінки тварин з точністю до мілісекунди. Тобто, для такої високотехнологічної і надточної роботи, необхідна нормальна діяльність лише одного гена, який буде реагувати на світлові випромінювання видимого спектру з допомогою хромофору (сітківкового хромофору), який надходить у тканини мозку ссавців по ChR2.

      Експериментальна користь ChR2 була доведена при використанні на різних тваринних моделях, починаючи від контролю за поведінкою ссавців до класичних моделей таких організмів, як мухи, черв'яки і даніо реріо (zebrafish), починаючи з 2005 року на сотні груп тварин було використано ChR2 і пов'язані з ним мікробні білки для вивчення нейронних ланцюгів.
 

      Серед мікробних опсинів, які можуть бути використані для дослідження функцій біологічних нейронних мереж варто відзначити такі як ChR2 (Channelrhodopsins) і VChR1 для збудження нейронів, галорходопсин (Halorhodopsin (NpHR)), архерходопсин (Archaerhodopsin (Arch)), і грибкові опсини, такі як опсин Leptosphaeria maculans (Mac) - для пригнічення діялності нейронів. При поєднанні опсинів хребетних тварин зі специфічними рецепторами G-білків, були створені хімерні фотодатчики, які дозволяють дослідникам регулювати концентрацію визначених внутрішньоклітинних месенджерів, таких як цГМФ, цАМФ і IP3 в окремих клітинах і змінювати таким чином поведінку ссавців.
      
  Фотоактивовані аденілат циклази (PACs) отримані з Евглени зеленої (Euglena) і морських бактерій можевикористовуватися для контролю за рівнем цАМФ в окремих нейронах. PACs, які містяться у нервовій системі мух, викликають швидку зміну поведінки внаслідок реакції на дію синього світла. Постійно зростаюча кількість оптогенетичних методів дослідження (зондів) дозволяє здійснювати точний контроль над мембранним потенціалом дії та іншими месенджерами окремих клітин інтактних тварин.

 

        Оптогенетика також спрямована на:
 

      Ці завдання, на сьогодні найчастіше вирішуються з допомогою використання оптико-волоконних діод них технологій, яку вперше застосували в 2007. Для того, щоб стимулювати поверхневі області мозку, такі як кору головного мозку, то як правило, оптичні волокна або світлодіоди встановлюються безпосередньо на череп тварини. Більш глибока імплантація оптичних волокон була здійснена для того, щоб світло потрапило в більш глибокі ділянки мозку. Головна перевага мікробних опсинів (у тому числі ChR2, VChR1, NpHR, і Arch), як зазначалося вище, полягає в тому, що вони можуть повністю самостійно діяти в мозку ссавців без жодних екзогенних кофакторів. У безхребетних тварин, таких як червів і мушок деяка кількість транс-ретиналю  все-таки повинна надходити разом з їжею.

 

    Оптогенетика дає змогу зрозуміти, як конкретні типи нейронних клітин впливають на функціонування нейронних ланцюгів у природних умовах.

 

     Прогресивні дослідження оптогенетики в подальшому можуть мати важливий вплив для появу методів лікування хвороби Паркінсона та інших неврологічних і психічних розладів. Дійсно, в оптогенетичних дослідженнях 2009 року дуже багато матеріалів, що стосуються вивчення нейронних механізмів, що мають відношення до хвороби.