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利用一种依赖于新型光敏蛋白的技术,研究人员设计了一种利用光遗传学控制单个神经元的方法

麻省理工学院和巴黎笛卡尔大学的研究人员开发了一种新的光遗传学技术,该技术可以将光照射到靶向带有工程光的单个细胞上

敏感分子,以便可以精确刺激单个神经元到目前为止,使用光遗传学靶向单个细胞一直具有挑战性,可以精确控制激活的时间和位置

这一新进展为研究个体细胞如何铺平了道路,以及这些细胞之间的联系,产生特定的行为,如启动运动或学习新技能“理想情况下你想要做的就是像钢琴一样玩大脑你想要独立控制神经元,而不是让它们全部进入锁定传统光遗传学的工作方式,但通常是大脑不能做的,“Ed Boyden说,屁股麻省理工学院脑与认知科学和生物工程教授,麻省理工学院媒体实验室和麦戈文脑研究所的成员新技术依赖于一种新型光敏蛋白,可以嵌入神经元细胞体内,与可以将光聚焦在单个细胞上的全息光整形Boyden和Valentina Emiliani,法国国家科学研究中心(CNRS)的研究主任和巴黎笛卡尔大学神经光子学实验室主任,是该研究的高级作者,出现在11月13日的“自然神经科学”杂志上

主要作者是麻省理工学院博士后或Shemesh和CNRS博士后Dimitrii Tanese和Valeria Zampini精确控制10多年前,博伊登和他的合作者首次开创了光敏蛋白的应用,称为微生物视蛋白操纵神经元电活动这些视蛋白可以嵌入神经元的膜中,当它们存在时暴露于某些波长的光,它们沉默或刺激细胞在过去的十年中,科学家们利用这种技术研究了大脑任务在大脑任务中的行为,例如记忆回忆或习惯形成传统上,许多细胞同时被瞄准,因为光闪电进入大脑撞击相对较大的区域然而,正如博伊登指出的那样,神经元即使在彼此靠近时也可能具有不同的功能“两个相邻的细胞可以具有完全不同的神经代码它们可以做完全不同的事情,对不同的刺激作出反应,他表示,为了实现对单细胞的独立控制,研究人员结合了两项新进展:一种局部的,更强大的视蛋白和一种优化的全息光成形显微镜

对于视蛋白,研究人员使用一种蛋白质叫做CoChR,Boyden实验室在2014年发现了他们选择这种分子,因为它产生了一种非常强的电流响应光(比用于光遗传学的第一种蛋白 - 视紫红质-2产生的电流强约10倍)它们将CoChR融合到一种小蛋白质中,该蛋白质将视蛋白导入神经元细胞体并远离轴突从神经元体延伸出来的枝状突起,这有助于防止神经元之间的串扰,因为激活一个神经元的光也可以打击与目标神经元交织在一起的其他神经元的轴突和树突.Boyden然后与Emiliani合作将这种方法与光结合起来 - 她以前开发的刺激技术,称为双光子计算机生成的全息术(CGH)这可用于创建包围目标细胞的光的三维雕塑传统全息术基于再现,光,形状在没有该原始对象的情况下,通过创建包含re所需信息的“干涉图”来实现这一目的构造一个先前被参考光束照射的物体在计算机生成的全息术中,干涉图是由计算机计算出来的,不需要任何原始物体

多年前,Emiliani的研究小组证明,结合双光子激发,CGH可用于重新聚焦激光以精确照亮大脑中的细胞或一组确定的细胞 在这项新研究中,通过将这种方法与聚集在细胞体内的新视蛋白相结合,研究人员表明它们可以刺激单个神经元,不仅可以精确控制空间,还可以很好地控制刺激的时间,当它们针对特定的神经元时,它每次响应一致,可变性小于1毫秒,即使连续多次刺激细胞“有史以来第一次,我们可以将单细胞控制的精度带到神经计算的自然时间尺度“Boyden说映射连接使用这种技术,研究人员能够刺激脑切片中的单个神经元,然后测量与该细胞相连的细胞的反应

这为可能的大脑连接图表和分析铺平了道路当大脑执行任务或学习新技能时,这些联系如何实时变化一个可能的实验,Boyden说,将是刺激晚期神经元相互连接,试图找出是否有人控制其他人,或者他们是否都接收来自远方控制器的输入“这是一个悬而未决的问题,”他说“是一个特定的功能是从远处驱动,或者是否存在一个控制动力学的局部电路,并说出电路中的确切指令链

如果你能抓住这条指挥系统,然后利用这项技术来证明这实际上是事件的因果关系,那可以帮助你解释感觉,运动或决定是如何发生的“作为迈向这类研究的一步研究人员现在计划将这种方法扩展到活体动物中

他们还致力于改善其靶向分子并开发能够使神经元活动沉默的高电流视蛋白

该研究由法国国家研究机构,西蒙斯国立卫生研究院资助

社会大脑基金会,人类前沿科学计划,John Doerr,开放式慈善项目,霍华德休斯医学研究所和国防高级研究计划署出版物:Or A Shemesh等,“时间精确的单细胞分辨率光遗传学,“自然神经科学(2017)doi:101038 / s41593-017-0018-8来源:安妮特拉弗顿,麻省理工学院新闻

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