Fény közvetlenül az agyba

Fény közvetlenül az agyba

Dmitry Mamontov
"Népszerű mechanika" №5, 2014

A fotonikus módszerek már forradalmasították a távközlési ágazatot. Most a sorban – biológia.

A Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Tanszékének fotonikai és nemlineáris spektroszkópiájának kutatója, Lyubov Amitonova könnyű útmutatót mutat be az optogenetikai kutatáshoz

A képernyőn – a szokásos laboratóriumi egér. A keret mögül két vékony szál van húzva a fejére. Ő ül, és elkezd körbejárni. Első pillantásra nem túl látványos. Bár természetesen az egér nem teljesen normális: az agyában lévő neuronokat közvetlenül a fényimpulzusok szabályozzák. Ez a tipikus demonstráció annak a módszernek, amely az elmúlt évtizedben igazi forradalmat eredményezett a neurobiológia – optogenetika területén.

Érzékelők és működtetők

"Mi az optogenetika? Ez a genetikailag kódolt indikátor molekulák alkalmazása, amelyek szenzorként szolgálhatnak a sejtekben előforduló biológiai folyamatokhoz, és optikai tulajdonságaik (fluoreszcencia lézer sugárzás vagy önhumoreszcencia hatására) képesek arra, hogy kutatókat tájékoztassanak erről, Neurokémiai Tanszék, NRC "Kurchatov Intézet", Neurobiológiai Laboratórium, Memory, Normal Physiology Intézet, Orosz Orvostudományi Akadémia vezetője.- Ez az úgynevezett közvetlen optogenetika. És van is ennek az ellenkezője – genetikailag kódolt molekulák, működtetők használata, amelyek fényt gerjesztve megváltoztathatják a sejt munkáját. Az aktuátorok közül leggyakrabban a baktériumok vagy az algák ioncsatornáit használják. Ha genetikai kódolás alkalmazásával ezeket a csatornákat be kell illeszteni az emlős sejtmembránokba, bizonyos hullámhosszúságú, ionokat átengedő fényre válaszolnak, és ezáltal megváltoztatják a sejtek elektromos potenciálját. Az Optogenetics a legnagyobb hasznot vette az idegrendszer, különösen az agy sejtjeinek tanulmányozásában. "

Hogyan működik az optogenetika
Optogenetikai módszerekkel a kutatók képesek befolyásolni a kiválasztott neuronokat fényimpulzusokkal ") Hogyan működik az optogenetika
Optogenetikai módszerekkel a kutatók képesek befolyásolni a kiválasztott neuronokat a "border = 0" impulzusok használatával Hogyan működik az optogenetika
Optogenetikai módszerek alkalmazásával a kutatók képesek befolyásolni a kiválasztott neuronokat fényimpulzusokkal.

műtéti sztrájkok

Az optogenetika területén az első kísérleteket a Yale Egyetem, a Kaliforniai Egyetem Berkeley és Stanford laboratóriumában végezték el csak egy évtizeddel ezelőtt, de ez a módszer máris forradalmi hírnevet szerzett az idegtudósok körében. "Az agykéregben különböző típusú neuronok működnek" – magyarázza Konstantin Anokhin -, ezek a neuronok olyan hálózatokba integrálódnak, amelyek valójában az agy, és hogy megértsék, hogyan működnek ezek a hálózatok, be kell fejezni a munkájukat. Ezt a "szőnyeg bombázás" módszerével érhetjük el. Képzeljük el az agyat a megacitás formájában, amelyben egy nagyon kicsi, tucatnyi ember kémhálózat működik, tehát korábban, a hálózat mechanizmusának megismerése érdekében, viszonylag értelemszerűen atombombát bocsátottunk a városba, mivel n Nem volt más fegyverünk, az optogenetikát összehasonlíthatjuk a szelektivitással, pontos pontossággal: szenzorok vagy működtetők például csak a kívánt cellatípusba illeszthetők és ezekre is képesek. az egyes hálózati elemek munkáját az agyban. "

Kiegészítés, de nem törölve

Teljesen tévedés lenne feltételezni, hogy az optogenetika megjelenésével az agykutatás minden más módszere a múlté lesz. Természetesen az optogenetika jelentős előnyökkel rendelkezik szelektív hatások, pontosság és mind a gerjesztés, mind az idegsejtek gátlása révén. Azonban létező módszerek, mint például az elektroencefinográfia (EEG), a mágneses encefalográfia (MEG), a pozitron emissziós tomográfia (PET), az előidézett potenciálok regisztrálása, az egyes neuronok mikroelektródákkal történő aktivitásának rögzítése, mágneses rezonancia képalkotás (fMRI). Például az emberi tudattal kapcsolatos magasabb idegi aktivitás funkcióit fMRI alkalmazásával vizsgálhatjuk, de nem az optogenetikai módszerekkel, amelyek csak az állatokra alkalmazhatók. Emellett az olyan módszerek, mint az fMRI és a MEG, lehetővé teszik számunkra, hogy átfogó képet kapjunk arról, mi történik az agyban, míg az optogenetika csak helyi területek.

Bekapcsolás és kikapcsolás

Az optogenetika második fontos pontja az agyi hálózatok működésének kétirányú precizitásának lehetősége.Korábban az egyes területek stimulálására elektromos impulzusokat alkalmaztak az agyba beültetett elektródákra, de ez a hatás csak az idegsejtek gerjesztését teszi lehetővé, és ezenkívül meglehetősen durva és "inerciális". Az optogenetika segítségével a hatás nagyon vékony lehet, vagyis igen rövid impulzusokat lehet kidolgozni, nem csak gerjeszti, hanem lelassítani a szükséges neuronokat. Ez utóbbi fontos szerepet játszhat nemcsak az alapvető idegtudományokban, hanem az alkalmazott gyógyászatban is: pl. Az epilepsziás aktivitás középpontjába bevezetett aktorok bevezetésével és a "gátlás" bevonásával az epilepsziás támadás megszakítható.

Fényérzékeny ioncsatornák lehetővé teszi a neuronok szabályozását. A 470 nm-es hullámhosszú kék fény hatására a Chanrodropsin-2 (ChR2) 470 nm-es hullámhosszon keresztül nátriumionokat nyit a sejtbe, ami egy neuron gerjesztéséhez vezet, és a halorodopsin (NpHR) a sárga fény (589 nm) hatására megnyitja a klórionokhoz való hozzáférést,

Photonics

A Kurchatov Intézet Kutató és Fejlesztő Központ idegtudományi laboratóriumában végzett optikai módszereket és rendszereket a Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Karának és az Orosz Kvantumközpont laboratóriumaiban fejlesztették ki."A száloptikai interfészek olyan eszközök széles skálájához tartoznak, amelyek nem korlátozódnak az optogenetikára" – mondja Alexey Zheltikov, a moszkvai Állami Egyetem Fizikai Tanszékének fotonikus és nemlineáris spektroszkópia laboratóriumának vezetője, az orosz Quantum Centerben a Haladó Fotonics csoport vezetője. egy kvarcmagot, amelyet egy héj vesz körül, amelyben a teljes belső reflexió miatt a fényimpulzus "zárt", és új típusú fényvezetőket fejlesztettek ki – mikro rukturirovannye és fotonikus kristály”.

Működtesse a fényt

A fotonika a tudomány és a technológia területe, ahol a kutatók ugyanolyan módon működnek a fotonokon, mint az elektronokat az elektronikában. A fotonika részeként különböző fotonforrások jönnek létre (lézerekből és LED-ekből szinkrotronokká), foton "vezetékekből" – optikai hullámvezetőkből és szálakból, optikai erősítőkből, fotonáram-szabályozó eszközökből (beleértve a fotonikus kristályokat) és különböző detektorokból.

Mik azok a fotonikus kristályok? Ez, magyarázza Alexey Zheltikov, egyetlenKét- vagy háromdimenziós struktúrák a hullámhosszúság időtartamával: "Egy ilyen struktúra szokatlan optikai tulajdonságokat ad a fotonikus kristályoknak – mondhatjuk, a fény bizonyos irányban, de nem másokban terjed. a szivárvány színei rendszeres szerkezetűek.A mikrostrukturált és fotonikristályos fényvezetők komplex keresztirányú szerkezettel is rendelkeznek, a fénymező alapvető tulajdonságai a geometriájától függenek. a metrikus és a levegő tartalmát a hullámvezetőben, különböző tulajdonságokkal rendelkező rostokat kaphat. Ha a diszperziót, vagyis a különböző hullámhosszú törésmutatót vezérli, akkor biztosíthatja, hogy a belsejében terjedő lézeres impulzus meghosszabbodjon, lerövidüljön vagy változatlan maradjon. kvarc-mag légrésében növelheti a rost nemlinearitását és nemlineáris optikai hatásokat is nyerhet kis teljesítményű impulzusokban. "

Lásd az emlékeket

"Az agyban funkcionálisan elosztott sejthálózatok vannak" – mondja Konstantin Anokhin.- Annak érdekében, hogy megértsük, hogyan működnek, hogyan keletkeznek, miként kommunikálnak egymással, hogyan alakítják ki a memóriát, szelektív nyomkövetési eszközökre van szükségünk, és befolyásoljuk az ilyen hálózatok elemeit. És megtanultuk ezt megtennünk – találtunk olyan géneket, amelyek az idegsejtek hálózatának kialakulásakor aktiválódtak. Ezeket a géneket optogenetikus érzékelőket és működtetőegységeket szeretnénk összekapcsolni. Ez lehetőséget ad a neuronok megjelenítésére a hálózat kialakításakor, vagy szelektíven aktiválhatja őket, kivonva az emlékeiket. "

Nemlineáris látás

Természetesen az optogenetikus idegi interfészekhez egyszerűbb megoldásokkal juthat hozzá. De Alexey Zheltikov laboratóriuma más módszereket is fejleszt a nemlineáris optikai hatásokon alapuló biológiai rendszerek tanulmányozására. A fő probléma az, hogy ezek a hatások a fénysugárzás nagy intenzitását igénylik. A biológiai szövetben ionizáció következik be, ami számos fotokémiai reakciót vált ki, és az impulzusenergiát felszívja és elpusztítja a sejtet. Ezért a nemlineáris mikroszkóp egyik legfontosabb feladata, hogy a lehető legrövidebb impulzusokat érje el, miközben jelentősen növelheti az intenzitást, de csökkentheti az impulzus teljes energiáját.Ezért használják a szükséges paraméterekkel rendelkező foton kristályszálakat, ahol a lézer impulzus "sűrített" állapotban van.

Periodikus keresztirányú szerkezet mikrostrukturált (a bal oldalon) vagy fotonikus kristály (a jobb oldalonA szál lehetővé teszi különböző optikai jellemzők, például diszperzió és nemlinearitás megváltoztatását. Ez lehetővé teszi a lézerimpulzusok spektrális vagy időbeli jellemzőinek szabályozását – például tömörítheti, nyújthatja, erősítheti vagy frekvencián átválthatja.

A nemlineáris optikai effektus tipikus példája a két foton mikroszkópia, vagyis a lumeneszkálás két foton resonáns abszorpcióján. Mint címke, általában ismert zöld fluoreszcens fehérje GFP-t használnak, amelynek génjét bejuttatják a kívánt sejtekbe. A kétfoton fluoreszcencia lehetővé teszi, hogy szelektíven "gyújtsd meg" a minta kívánt területeit közel IR sugárzás hatására. Ennek a megközelítésnek az az előnye, hogy az infravörös sugárzás mélyebbre hatol a biológiai szövetekbe, mint látható, hogy ez a módszer kb. 1 mm mélységű mintában vizualizálható legyen.

"A két foton lumineszcencia módszere szükségessé teszi a GFP fehérje jelenlétét a mintacellában, de megtehetjük, hogy egyáltalán nincs szükség a címkére" – állítja Aleksey Zheltikov. "Végül is minden molekulának saját rezgési frekvenciája van, és ez a címke. látjuk a fényszóródást ezen frekvenciákon, azt a következtetést vonhatjuk le, hogy ezek a molekulák rendelkezésre állnak: a CARS mikroszkóp alapja ez, amely a koherens anti-Stokes fényszóródás hatását használja, de általában a CARS-nak hangolható lézerre van szüksége, ami nagymértékben bonyolítja a mikrofon ivartalanítani Laboratóriumunkban találtunk egy utat megtenni anélkül, hogy külön hangolható lézer :. használjuk a fő lézersugár és speciálisan fotonikus kristály rost, amely lehetővé teszi, hogy váltani impulzusok frekvencia”.

A CARS-mikroszkópia elve koherens lézersugarak – a szivattyúzás és a Stokes – használatából áll, amelyeknek pontosan meg kell felelniük a molekula természetes frekvenciájával. A szivattyúnyaláb tompított fényként működhet. A megfelelő frekvenciájú jel lehetővé teszi a "megfelelő" molekulák megjelenítését


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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