徠卡顯微鏡光遺傳學去多色工具
光遺傳學是一種技術(shù)，可以讓科學家們通過設(shè)計他們表達光敏蛋白來控制神經(jīng)元的電活動與光芒。 在過去的十年中，它已成為一種非常強大的工具，用于發(fā)現(xiàn)不同類型的細胞的功能，在大腦中。
大多數(shù)這些光敏感蛋白，被稱為視蛋白，在藍綠色范圍響應的光。 現(xiàn)在，來自麻省理工學院的一個小組發(fā)現(xiàn)了一個視蛋白是紅色光，這使得研究人員能夠獨立控制神經(jīng)元的兩類人群的活動一次，使腦功能更復雜的研究敏感。
“如果你想看到兩組不同的細胞相互作用，或同一小區(qū)的兩個群體是如何互相競爭，你需要能夠獨立激活這些人口，”埃德寶鼎生物工程副教授，并說腦與認知科學在麻省理工學院和新的研究的資深作者。
新視蛋白是在120種藻類的屏幕找到約60光敏感蛋白之一。 這項研究發(fā)表在自然法的2月9日在線版，也取得了最快的視蛋白，使研究人員能夠研究神經(jīng)活動模式與毫秒級的精度。
寶鼎和甘恩嘉澍黃醫(yī)藥和生物科學在阿爾伯塔大學的教授，是該論文的高級作者，而主要作者是麻省理工學院博士后彌敦道Klapoetke。 來自霍華德休斯醫(yī)學研究所的Janelia農(nóng)場研究校園，賓夕法尼亞大學，科隆大學和北京基因組研究所的研究人員也促成了這項研究。 
圖片：村田泰信，麥戈文研究所
在生活的色彩
視蛋白天然存在于許多藻類和細菌，它使用光敏感蛋白，以幫助他們應對其環(huán)境和產(chǎn)生能量。
實現(xiàn)神經(jīng)元的光控制，科學家工程師腦細胞表達的基因的視蛋白，該轉(zhuǎn)運的離子穿過細胞膜，以改變其電壓。 根據(jù)所使用的視蛋白，在細胞上閃耀光要么降低了電壓和沉默神經(jīng)元放電或升壓電壓和引發(fā)細胞，以產(chǎn)生一個電脈沖。 這個效果幾乎是即時的和容易逆轉(zhuǎn)。
使用這種方法，研究人員可以有選擇地打開細胞或關(guān)閉的人口，觀察大腦中發(fā)生了什么。 然而，直到現(xiàn)在，他們可以在一個時間只能激活一個群體，因為這回應了紅燈唯一的視蛋白也回應了藍色的光，所以他們不能與其他視蛋白配對來控制兩臺不同的細胞群。
尋求額外的有用的視蛋白，麻省理工學院的研究人員與黃的研究小組在阿爾伯塔大學，這是測序1,000植物，包括一些藻類的轉(zhuǎn)錄工作。 （轉(zhuǎn)錄組是相似的基因組，但僅包括由一個細胞，而不是它的遺傳物質(zhì)的整體表達的基因。）
一旦團隊獲得，似乎代碼為視蛋白基因序列，Klapoetke測試了他們的光響應在哺乳動物腦組織，與瑪莎君士坦丁 - 佩頓，生物學和腦與認知科學的麻省理工學院教授，麥戈文學會會員工作，而該論文的作者。 紅色感光視蛋白，其中研究人員命名Chrimson，可以響應光用735納米波長介導的神經(jīng)活動。
研究人員還發(fā)現(xiàn)了一個藍光驅(qū)動的視蛋白，它有兩個非常可取的特質(zhì)：它工作在高速，這是非常昏暗的光線敏感。 這種視蛋白，稱為Chronos的，可以刺激與藍色光太弱激活Chrimson水平。
“你可以用昏暗的藍色光短脈沖來驅(qū)動藍色的，你可以使用強闖紅燈駕駛Chrimson，而且可以讓你做真正的兩色，零串擾激活完整的大腦組織，” Boyden小，誰是麻省理工學院媒體實驗室的成員，麥戈文腦研究所說。
研究人員曾試圖修改自然發(fā)生的視蛋白，使他們更快地做出反應和應對調(diào)光燈，但試圖優(yōu)化一個特點往往使其他功能惡化。
“很明顯，試圖工程師般的色彩，光感度和動力學特征的時候，總有取舍，”Klapoetke說。 “我們很幸運，自然的東西實際上是超過快好幾倍，也五六倍光敏感比什么都重要?！?/span>
選擇性控制
這些新的視蛋白借給自己幾種類型的研究，以前不可能，博伊登說。 為1，科學家不僅可以操縱感興趣的細胞群的活性，而且還控制上游的細胞通過分泌神經(jīng)遞質(zhì)影響目標人群。
配對Chrimson和Chronos的也可以讓科學家在大腦中學習不同類型的細胞的功能，在同一個微電路。 這些細胞通常位于非常接近，但與新的視蛋白它們可以獨立地具有兩種不同顏色的光進行控制。
“我認為在這個優(yōu)秀的論文中描述的工具，代表了這兩個基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學的一大進步，”Botond Roska在，高級小組負責人在弗里德里希米歇爾生物醫(yī)學研究所在瑞士，誰是不是該研究小組的一部分說。 “被移向紅外范圍光遺傳學工具，如Chrimson本文中描述的，是不是更藍移的變體更好，因為它們是低毒性，激活更少的瞳孔反射，并激活患者更少的剩余的光感受器。 “
大多數(shù)光遺傳學研究迄今已在小鼠中已經(jīng)完成，但是Chrimson可用于果蠅，一種常用的試驗有機體的光遺傳學研究。 研究人員已經(jīng)用藍色感光視蛋白在果蠅，因為光線可以進入果蠅的眼睛和驚嚇他們，正在研究中的行為干擾了麻煩。
維韋克賈亞拉曼，一個研究小組負責人在Janelia農(nóng)場和論文的作者，能夠表明，當紅燈是用來刺激Chrimson在果蠅這種驚嚇反應不會發(fā)生。
因為紅燈損害較小的組織比藍色光，Chrimson還擁有潛在的人類最終的治療用途，博伊登說。 與其他視蛋白的動物研究已經(jīng)在幫助感光細胞在視網(wǎng)膜的損失后，對恢復視力表明承諾。
研究人員目前正在試圖修改Chrimson在紅外范圍內(nèi)響應的光。 他們也努力使雙方Chrimson和Chronos的更快，更怕光。
該項目的麻省理工學院的部分得到了衛(wèi)生部，麻省理工學院媒體實驗室，美國國家科學基金會，華萊士閣下科爾特基金會，Alfred P. Sloan基金會，一個NARSAD青年研究者格蘭特，人類前沿科學計劃的國家研究院資助，一個NYSCF羅伯遜神經(jīng)科學研究員獎，IET自動對焦哈維獎，科學技術(shù)的斯科爾科沃學院，和珍妮特和謝爾頓拉辛'59。