光遗传学-用光控制细胞和动物

光遗传学让研究人员得以激活, 反激活, 用光来操纵神经细胞, 通常从激光

2022年2月8日 连贯的

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三百多年前, 路易吉·伽瓦尼(Luigi Galvani)发现,对青蛙的腿通电会导致它抽搐. 这是因为神经细胞(称为神经元)通过产生电脉冲来工作,电脉冲沿着每个神经元的长度传播. 电脉冲被称为“动作电位”.”

长期以来,科学家们一直使用微型电极将电脉冲施加到神经元上,迫使它们按指令发射. 他们用这个来研究一些神经元是如何连接在一起的, 甚至可以绘制出大脑的哪个部分控制身体的哪个部分.

但是,大脑不仅仅控制我们的身体运动. 它会思考和记忆, 处理来自我们感觉器官(眼睛)的所有传入信号, 耳朵, 等.). 大约25年前, 即使是这些最普通的任务,如回忆一个名字或认识一个朋友的脸,我们也不太清楚大脑是如何执行的.

这种情况正在迅速改变. 科学家们正在使用各种工具和技术来研究动物的大脑. 鼠标, 特别是, 是常用的测试科目吗, 因为它是一种哺乳动物,与人类的基本大脑结构相似.

光遗传学点亮了神经科学

神经科学家工具箱里的最新方法叫做光遗传学. 它使用光而不是电极来触发神经. 为了达到这个目的,科学家们使用了一种叫做视蛋白的特殊蛋白质分子. 具体来说,这些蛋白质会在光线照射时做出反应.

In 2005, 神经学家卡尔·戴瑟罗斯, Ed Boyden, 他们的同事证明了可以对动物进行基因改造, 包括老鼠, 培养融合视蛋白的神经细胞,从而对光刺激敏感. 更重要的是, 他们精确地操纵了基因工程,使他们能够准确地选择什么样的神经细胞“表达”什么样的视蛋白.

就这样, 现在,你可以简单地用特定颜色的光照射活老鼠的神经细胞,激发它们, 而不是通过物理连接电极到神经. 另外, 你可以使用不同的视蛋白,通过照射另一种颜色的光来防止神经放电. 这就是光遗传学.

光遗传学

激光为光遗传学提供了一线生机

光遗传学的最大优势在于,光是一种非接触和选择性的工具,比物理电极的侵入性小得多. 而且光线可以在不伤害动物的情况下迅速从一个地方转移到另一个地方. +, 如果是激光的话, 它可以被聚焦到一个小点上,因此只有大脑的一个非常特定的部分受到刺激(或不活跃).

最先进的光遗传实验使用超快激光,就像 连贯的摩纳哥. 超快激光的优势在于,它们可以利用一种被称为“多光子激发”的效应,选择性地刺激老鼠大脑中的单个神经元.此外,用于这项技术的红外线可以有效地穿透大脑皮层.

越来越多地, 神经科学家设计了一个由计算机算法控制的多个激光点的图案. 这使他们能够刺激数百个精确的目标神经元,并准确地观察它们如何相互作用. 以下是如何实际发生的,使用各种 多光子激发(MPE)显微镜 基于激光技术,比如相干激光器 轴突 or 变色龙 摩纳哥联合系列.

最终, 神经科学家将能够测量有多少更多的神经元在实时相互交流和互动. So, 在人们第一次意识到神经是通过电脉冲工作的大约250年后, 科学家们终于弄清楚了老鼠的大脑是如何决定向左还是向右转的. 现在,只要我们记得把车钥匙放在哪儿了...

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