Šviesu tiesiai į smegenis

Šviesu tiesiai į smegenis

Dmitrijus Mamontovas
"Populiariausi mechanika" № 5, 2014 m

Photonics metodai jau pakeitė telekomunikacijų pramonę. Dabar eilutėje – biologija.

Mokslo laboratorija fotonikos ir нелинейной spektroskopijos fizikos katedros Maskvos valstybinio universiteto Lyubov Амитонова demonstruoja šviesos vadovas, skirtas optogenetikos tyrimams

Ekrane – įprasta laboratorinė puse. Iš už rėmo ant galvos traukiama du plonieji pluoštai. Ji sėdi, o tada pradeda veikti apskritime. Iš pirmo žvilgsnio, ne labai įspūdingai. Nors, žinoma, iš tiesų, pelė nėra gana įprasta: jos smegenyse esančius neuronus tiesiogiai valdo šviesos impulsai. Tai tipiškas metodo demonstravimas, per pastarąjį dešimtmetį sukūręs tikrą revoliuciją neurobiologijos srityje – optogenetikoje.

Jutikliai ir pavaros

"Ką optogenetics Šis genetiškai užkoduoti molekulių rodiklių, kurie gali tarnauti kaip jutiklio atsirandančios iš biologinių procesų ląstelėse ir kurios galėtų dėl savo optinių savybių (fluorescencijos sukelta lazerio spinduliuotės arba savarankiško liuminescencijos) informuoti tyrėjus naudoti, – sako Konstantinas Anokhin vadovas Neurologijos katedra, NRC "Курчатовский institutas", laboratorijos vadovas neurobiologijos, atminties, Normalios fiziologijos institutas, Rusijos medicinos mokslų akademija.- Tai yra vadinamoji tiesioginė optogenetika. Ir taip pat yra ir priešingos – tai genetiškai užkoduotų molekulių, pavarų, kurie, sužadinus šviesą, gali pakeisti ląstelių darbą. Tarp pavarų dažniausiai dabar naudojami bakterijų ar dumblių jonų kanalai. Jei, naudojant genetinį kodavimą, šie kanalai įterpiami į žinduolių ląstelių membranas, jie atsidarys atsižvelgiant į tam tikrų bangos ilgių šviesą, perduos jonus ir taip pakeis ląstelių elektros potencialą. Optogenetika labiausiai naudojama nervų sistemos ląstelių, ypač smegenų, tyrime ".

Kaip veikia optogenetika
Naudojant optogenezinius metodus, mokslininkai gali daryti įtaką pasirinktiems neuronams, naudodami šviesos impulsus ")"> Kaip veikia optogenetika
Naudodami optogenezinius metodus, mokslininkai gali daryti įtaką pasirinktiems neuronams, naudodami šviesos impulsus "border = 0> Kaip veikia optogenetika
Naudodami optogenezinius metodus, mokslininkai gali daryti įtaką pasirinktiems neuronams, naudojant šviesos impulsus.

Punches

Pirmieji eksperimentai su optogenetics srityje buvo atliekami laboratorijoje Jeilio universiteto, Kalifornijos universitetas, Berklis ir Stanfordo tik maždaug prieš dešimtmetį, tačiau šis metodas jau uždirbo reputaciją kaip į neurobiologists aplinkos revoliucinis. "Per smegenų žievės yra daug skirtingų tipų neuronų, kurie atlieka skirtingas funkcijas, – sako Konstantinas Anokhin -. Šie neuronai yra integruoti į tinklą, kuris, tiesą sakant, turi smegenis suprasti, kaip šie tinklai, būtina įsikišti į savo darbą, kol .. Tai buvo pasiektas "kilimų bombardavimo" metodais. įsivaizduoti smegenis kaip Metropolis, kuri veikia labai mažas, keliolika žmonių, šnipas tinklą. Taigi anksti žinoti šio tinklo mechanizmas, mes, santykinai kalbant, palaidota miesto atominės bombos, nuo n bet koks kitas ginklas mes neturėjome optogenetics patį galima palyginti su selektyvumą su tiksliai streikų :. jutiklių arba paleidiklių galima įterpti, pavyzdžiui, tik norimo tipo ląsteles ir jų laikytis Ji suteikia mokslininkams anksčiau nepasiekiamas selektyvumą į poveikį ir suprasti smulkių mechanizmų galimybės. atskirų tinklo elementų darbas smegenyse. "

Papildyti, bet ne atšaukti

Būtų visiškai klaidinga manyti, kad, atsiradus optogenetikai, visi kiti smegenų tyrimų metodai bus praeities dalykai. Žinoma, optogenetika turi reikšmingų privalumų pasirinktinio poveikio, tikslumo ir neuronų sužadinimo ir slopinimo galimybės. Tačiau esami metodai, tokie kaip elektroencefalografija (EEG), magnetinė encefalografija (MEG), pozitronų emisijos tomografija (PET), sukeliamų potencialų registravimas, atskirų neuronų aktyvumo registravimas naudojant mikroelektrodes, funkcinis magnetinio rezonanso tomografavimas (fMRI). Pavyzdžiui, su žmogaus sąmoningumu susijusios aukštesnės nervų veiklos funkcijos gali būti tiriamos naudojant fMRI, o ne optogenetikos metodais, kurie taikomi tik gyvūnams. Be to, tokie metodai kaip fMRI ir MEG leidžia mums pamatyti pasaulinį vaizdą apie tai, kas vyksta smegenyse, o optogenetika – tik vietinės sritys.

Įjunkite ir išjunkite

Antras svarbus optogenetikos požymis yra dviejų krypčių tikslumo valdymas smegenų tinkluose.Anksčiau atskirų sričių stimuliavimui elektrodai buvo implantuoti į smegenis, tačiau toks poveikis tik leidžia sužadinti neuronus, be to, jis yra gana grubus ir "inercinis". Naudojant optogenetiką, poveikis gali būti labai plonas, tai yra, netgi labai trumpi impulsai gali būti išvystyti, o ne tik sužadinti, bet taip pat sulėtinti reikiamus neuronus. Pastarasis gali vaidinti svarbų vaidmenį ne tik fundamentaliąja neurologija, bet ir taikomojoje medicinoje: pvz., Įvedant į neuronus veikiantį pavarą į epilepsijos veiklą ir įtraukiant "slopinimą", epilepsijos užpuolimas gali būti nutrauktas.

Šviesos jautrieji jonų kanalai leis jums kontroliuoti neuronus. Chanrodropsinas-2 (ChR2), paveiktas mėlynos spalvos šviesos, kurio bangų ilgis yra 470 nm, atneša į ląstelę natrio jonus, o tai sukelia нейрона ir halorodopsinas (NpHR) veikiant geltonai šviesai (589 nm), atveria prieigą prie chloro jonų, lėtina neuroną

Fotonika

Laboratorijose Fizikos fakulteto Maskvos valstybinio universiteto ir Rusijos kvantavimo centro yra sukurti optiniai metodai ir sistemos eksperimentams laboratorijoje neurologijos instituto tyrimų ir plėtros instituto Курчатова."Skaidulinės optikos sąsajos yra daugelio užduočių, kurios neapsiriboja optogenetika, įrankis", – sako Aleksejus Zheltikovas, laboratorijos "Fotonikos ir netiesinės spektroskopijos" vadovas Maskvos valstybinio universiteto fizikos skyriuje, "Advanced Quantum Center" grupės "Advanced Photonics" vadovas. kvarcinis šerdis, apsuptas korpuso, kuriame dėl viso vidinio atspindžio šviesos impulsas yra "užrakintas" ir sukurtos naujos šviesos laidų rūšys – mikroschemos rukturirovannye ir fotoniniame ".

Valdyti šviesą

Fotonika yra mokslo ir technologijų sritis, kurioje mokslininkai veikia fotonus taip pat, kaip ir elektronai. Kaip fotonikos dalis, yra sukurta įvairių fotonų šaltinių (nuo lazerių ir šviesos diodų iki sinchronitronų), fotoninių "laidų" – optinių bangolaidžių ir pluoštų, optinių stiprintuvų, fotonų srauto valdymo įtaisų (įskaitant fotoninius kristalus) ir įvairių detektorių.

Kas yra fotoniniai kristalai? Tai, aiškina Aleksejus Zheltikovas, singlasDvigubos arba trimačios struktūros su bangos ilgio tvarka: "Tokia struktūra suteikia fotoniniams kristalams neeilines optines savybes, tarkim, šviesa gali plisti keliomis kryptimis, bet ne kitur. Fotonominiai kristalai egzistuoja gamtoje: reikia žuvų svarstyklių, drugelio sparnų arba perlamutro su savo vaivorykštės spalvomis, yra periodinė struktūra. Mikrostruktūriniai ir fotonukristalų šviesos kreiptuvai taip pat turi sudėtingą skersinę struktūrą, pagrindinės šviesos lauko savybės priklauso nuo jo geometrijos. metrą ir oro kiekį bangolaidyje, galite gauti pluoštą su skirtingomis savybėmis. Valdydami dispersiją, tai yra lūžio rodiklį skirtingiems bangos ilgiams, galite užtikrinti, kad lazerio impulso, skleidžiantis viduje, pailgėtų, sutrumpėtų arba išliktų pastovus. Galite valdyti ne tik sklaidą: aplinką kvarcinio šerdies oro tarpas, galite padidinti šviesolaidžio nelinijiškumą ir gauti nelinijinių optinių efektų net esant mažo galingumo impulsams. "

Žiūrėkite prisiminimus

"Smegenyse yra funkciniai paskirstytųjų ląstelių tinklai, – sako Konstantinas Anokinas."Norint suprasti, kaip jie veikia, kaip jie kyla, kaip jie bendrauja tarpusavyje, kaip jie sukuria atmintį, mums reikia priemonių selektyviam stebėjimui ir įtakos tokių tinklų elementams. Ir mes išmokome tai padaryti – radome genus, kurie aktyvuojami formuojant nervų ląstelių tinklą. Norime prisijungti prie šių genų optogenezių jutiklių ir pavarų. Tai suteiks galimybę vizualizuoti neuronus tuo metu, kai formuojamas tinklas, arba selektyviai suaktyvinti juos, išgaunant prisiminimus. "

Netiesinė vizija

Žinoma, optogenezinių nervų sąsajų atveju galite gauti daug paprastesnių sprendimų. Tačiau Aleksejus Zheltikovo laboratorija taip pat kuria kitus metodus, skirtus biologinių sistemų tyrimui, paremtam netiesiniais optiniais efektais. Pagrindinė problema yra ta, kad dėl šių veiksnių reikalingas didelis šviesos spinduliavimo intensyvumas. Biologiniuose audiniuose atsiranda jonizacija, kuri sukelia daug fotocheminių reakcijų, impulsų energija sugeria ir naikina ląstelę. Todėl viena iš svarbiausių netiesinės mikroskopijos užduočių yra gauti kuo trumpesnius impulsus, tuo tarpu galima žymiai padidinti intensyvumą, tačiau sumažinti bendrą impulso energiją.Būtent dėl ​​to naudojami fotoninių kristalų pluoštai su reikalingais parametrais, kai lazerinis impulsas yra "suspaustas", kai jis praeina.

Periodinė skersinė struktūra mikrostruktūrinis (kairėje) arba fotoninis kristalas (dešinėjePluoštas leidžia keisti įvairias optines savybes, tokias kaip dispersija ir nelinijiškumas. Tai leidžia kontroliuoti lazerinių impulsų spektrines ar laiko savybes, pvz., Suspausti juos, ištempti, amplifikuoti arba keisti jas dažniu.

Tipiškas netiesinio optinio efekto pavyzdys yra dviejų fotonų mikroskopija, tai yra, liuminescencija rezonansuojant dviejų fotonų absorbciją. Kaip etiketę paprastai naudojamas žinomas žalia fluorescuojantis baltymas GFP, kurio genas įvedamas į pageidaujamas ląsteles. Dviejų fotonų fluorescencija leidžia selektyviai "uždegti" norimas mėginio zonas, veikiant šalia IR spinduliuotės. Šio požiūrio privalumas yra tai, kad infraraudonoji spinduliuotė giliau įsiskverbia į biologinius audinius nei matoma, todėl šis metodas gali būti vizualizuotas bandinyje maždaug 1 mm gylyje.

"Dviejų fotonų liuminescencijos metodas reikalauja, kad mėginio ląstelėje būtų buvęs GFP baltymas, tačiau tai gali būti daroma, kad etiketė nebus reikalinga", – sako Aleksejus Zheltikovas. "Galų gale, kiekviena molekulė turi savo svyravimo dažnį, o tai yra jo etiketė. Ir jei mes Mes matome šviesos sklaidą šiais dažniais, galime daryti išvadą, kad šios molekulės yra prieinamos. CARS mikroskopija pagrįsta tuo, kuri naudoja nuoseklią anti-Stokes šviesos sklaidą. Tačiau dažniausiai CARS reikalauja sureguliuojamo lazerio, o tai labai apsunkina mikrofono dizainą kastruoti Mūsų laboratorijoje, mes rado būdą, kaip tai padaryti be atskiro przestrajalnym lazeriu :. Mes naudojame pagrindinę lazerio spindulį ir jiems specialiai suprojektuota fotoninių kristalų pluošto, kuri leidžia jums perkelti impulsų dažnį.

CARS mikroskopijos principas susideda iš nuoseklios lazerio spindulių – siurbimo ir Stokeso, kuris turi tiksliai patenkoti į rezonansą su natūraliu molekulės dažniu. Siurblio sija gali veikti kaip bandymo sija. Reikiamu dažniu signalas leidžia pamatyti "tinkamas" molekules


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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