Optogenetikk

Den optogenetics er et område for forskning og anvendelse som kombinerer teknikker for perspektiv til de av genetikk . Det gjør det mulig ved lysstimulering å spesifikt og lokalt endre et begrenset antall celler som er genetisk modifisert for å være følsomme for det, uten å direkte forstyrre tilstanden til naboceller.

Konseptualisert på slutten av 1970-tallet, ble det innviet av et dedikert ord i 2006, deretter valgt årets metode av Nature Methods i 2010. Søknadene, i økende antall, inkluderer fin kartlegging av nevrale nettverk, studiet av deres fysiologi og deres normale og patologiske kommunikasjon, og potensielle medisinske inngrep som gjenoppretter for eksempel hørsel eller syn.

Prinsipp

Optogenetikk er basert på innsetting, inn i membranen til en nervecelle, av molekyler som er følsomme for lys, som under påvirkning av lysstimulering vil endre tilstanden til polarisering av membranen. Nevroner som koder informasjon til elektriske signaler som utløser frigjøring av nevrotransmittere fra nervecellen, og disse senderne som modulerer aktiviteten til nevroner som tilhører samme nettverk, kommer lysinduksjonen til endringen i polarisering ned til å kontrollere aktiviteten til den modifiserte cellen og celler i nettverket.

Genetisk

Den genetiske delen av optogenetikk er basert på innsetting i genomet av målrettede nerveceller, av et gen som koder for et "fotoaktiverbart" protein , dvs. hvis biologiske aktivitet avhenger av lyset det er utsatt for; de er oftest proteiner av bakteriell opprinnelse av opsin- typen . Den genomiske innsettingen av opsin-kodningssekvensen kan utføres ved to forskjellige metoder:

Optisk

Opsins produsert av vertscellene kan aktiveres av lys med en bestemt bølgelengde , ved hjelp av en optisk fiber direkte implantert i hjernen til dyret. Kanalene dannet av opsin er åpne, og avhengig av natur kan de forårsake depolarisering eller hyperpolarisering av nevronet. Dette fører til observasjon av atferdsresultater og elektrofysiologiske opptak. Teknikken har nå et bredt utvalg av opsins, som reagerer på forskjellige bølgelengder. De to viktigste er:


Materialer for optisk applikasjon

Suksessen til eksperimentet avhenger av at det optiske utstyret (f.eks. Integrerte fiberoptiske og solid state-lyskilder) leverer lys til spesifikke celler, til og med dypt i hjernen, på en kontrollert måte mens dyrene kan oppføre seg fritt.

Ofte oppnås dette ved å bruke fiberoptisk koblede dioder introdusert i 2007. For å unngå bruk av implanterte elektroder, implanteres et gjennomsiktig "vindu" av zirkoniumdioksid i hodeskallen til musene, som gjør at bølgenes optikk kan trenge dypere for å stimulere eller hemme individet. nevroner.

Stimulering av overfladiske områder av hjernen som hjernebarken er gitt av optiske fibre eller lysdioder som er direkte montert på dyrets hodeskalle. For dypere hjerneområder bør optiske fibre som trenger inn under overflaten brukes. I tillegg til fiberoptiske tilnærminger, som tvinger dyret til å holde seg nær den eksperimentelle enheten, er fullt trådløse teknikker utviklet med trådløs kraft og bærbare lysdioder for en barrierefri studie av kompleks atferd i organismer. Oppfører seg fritt.

Mer nylig har organiske lysdioder (OLED) blitt brukt til lyskilden. Operasjonen i pulsmodus tillater, i det minste in vitro , neuronal stimulering i et kompatibelt temperaturområde hvis tidsmessige nøyaktighet er i størrelsesorden millisekunder.

Historisk

I lang tid har forskere prøvd å forstå hvordan hjernen fungerer, særlig dens inngripen i etablering av bevegelser. Alt arbeidet med å stimulere og visualisere nevronaktivitet bidro til fremveksten av optogenetikk.

Discovery of channelrhodopsin (ChR2) i en alge av lagene til Hegemann og Nagel

Første studie om pattedyr av Ed Boyden og nevrolog og psykiater Karl Deisseroth  (en) til Stanford med channelrhodopsine for å oppdage at introduksjonen av et mikrobielt opsin-gen induserer en respons utvalgte nevroner.

Utvikler bruksområder

Målet med optogenetikk er å ha et stimuleringsmiddel som er presist over tid (stimulering og stopp av stimulering). Dyret som er undersøkt er sin egen kontroll, i motsetning til teknikkene for genetisk modifisering av tap eller gevinst av knock-out musefunksjoner . Kjennetegnet for optogenetikk er introduksjonen av raskt lysaktiverte kanaler og enzymer som tillater veldig presis manipulering av elektriske og biokjemiske hendelser over tid. Denne teknikken har muliggjort en bedre forståelse av visse nevrodegenerative patologier som Parkinsons sykdom .

Født i nevrovitenskap, strekker denne teknikken seg nå til alle celletyper og utvikler seg gjennom bruk av annen type opsin som melanopsin som induserer metabolske endringer i alle celletyper. Takket være dette proteinet er det mulig å koble lysfølsomme kanaler og reseptorer koblet til G-proteiner for å definere konsentrasjonen av den intracellulære andre messenger, cAMP og IP3 i målcellene.

Merknader og referanser

  1. Neuroscience Newsletter nr. 40 , "New in neuroscience" av Philippe Isope og Matilde Cordeo-Erausquin, s.17-19 (PDF)
  2. Le monde 27.9.2011, "Optogetics: ordering cells by light" av Françoise Ibarrando og Guy Abeille
  3. Alexander M Aravanis , Li-Ping Wang , Feng Zhang og Leslie A Meltzer , “  Et optisk nevralt grensesnitt: in vivo-kontroll av gnagermotorbark med integrert fiberoptisk og optogenetisk teknologi  ”, Journal of Neural Engineering , vol.  4, n o  3,1 st september 2007, S143 - S156 ( ISSN  1741-2560 og 1741-2552 , DOI  10.1088 / 1741-2560 / 4/3 / S02 , leses online , åpnet 27. juni 2020 )
  4. (i) Yasaman Damestani , Carissa L. Reynolds , Jenny Szu og Mike S. Hsu , "  Transparent nanokrystallinske yttriumoksydstabilisert zirkoniumoksyd-calvarium protese  " , Nano: nanoteknologi, Biology and Medicine , vol.  9, n o  8,November 2013, s.  1135–1138 ( DOI  10.1016 / j.nano.2013.08.002 , lest online , åpnet 27. juni 2020 )
  5. (in) Bruno FE Matarese Paul LC Feyen , John C. Mello og Fabio Benfenati , "  sub-millisecond Control of Neuronal Firing by Organic Light-Emitting Diodes  " , Frontiers in Bioengineering and Biotechnology , Vol.  7,2019( ISSN  2296-4185 , PMID  31750295 , PMCID  PMC6817475 , DOI  10.3389 / fbioe.2019.00278 , lest online , åpnet 27. juni 2020 )
  6. (i) Amanda Schaffer , "Å  undersøke hvordan hjernen hjelper oss med å søke nytelse og unngå brød  " , MIT Technology Review ,juni 2017( les online , åpnet 30. juni 2017 )
  7. Science vol.324 n ° 5925 , "Optical deconstruction of Parkinsonian Neural circultry" av Viviana Gradinaru, Murtaza Mogri1, Kimberly R. Thompson1, Jaimie M. Henderson og Karl Deisseroth, s.354-359

Se også

Bibliografi

Videografi, audiografi

Eksterne linker