Как пролить свет на нейроны?

[marigranula]

    Один из наиболее интересных, на мой взгляд, методов изучения мозга - это оптогенетика. Ею, кстати, если я не ошибаюсь, занимается уважаемая egovoru. Этот метод позволяет стимулировать нейроны, освещая их светом. К сожалению, метод этот работает только для тех случаев, когда свет, через световод, можно подвести к нужному месту в мозге. Это, в свою очередь, требует операций.
    И вот в How to control neurons deep in the brain with light описывается стратегия, позволяющая избегать операций по вживлению световодов в мозг. Для этого наночастицы, способные преобразовывать инфракрасный свет в видимый, впрыскивали в мозг мышей, а затем освещали голову инфракрасным излучением. Инфракрасные лучи способны проходить через ткани и кости, а затем, будучи преобразованными наночастицами в видимый свет, симулировали активность нейронов. Можно себе представить, что в будущем, наночастицы можно будет покрывать антителами которые свяжут наночастицы с конкретным типом нейронов. Или, возможно, будут созданы наночастицы преобразующие два инфракрасных кванта с разной энергией в один квант видимого света, что позволит получать видимый свет на пересечении двух пучков инфракрасного излучения, то есть очень точно локализовать, где именно нейроны стимулируются.

Comments

[egovoru.livejournal.com]

"будут созданы наночастицы преобразующие два инфракрасных кванта с разной энергией в один квант видимого света"

Так ведь нынешние upconverting nanoparticles именно это и делают: иначе откуда бы они взяли дополнительную энергию дла испускания коротковолнового фотона, поглотив только один длинноволновый?



Другое дело, что к двухфотонному возбуждению (двумя ИК лазерами) способны и сами канальные родопсины. Эта методика примечательна тем, что позволяет возбуждать только тот участок ткани, который находится в пересечении двух лучей, то есть, действовать более избирательно, чем в обычном случае.

[marigranula.livejournal.com]

"Так ведь нынешние upconverting nanoparticles именно это и делают: иначе откуда бы они взяли дополнительную энергию дла испускания коротковолнового фотона, поглотив только один длинноволновый? "
Я думал о складывание энергии двух фотонов разной энергии, по одному из каждого пучка, чтобы обеспечить локализацию на их точке пересечения. Но блестящая методика с которой Вы меня познакомили (Submillisecond Optogenetic Control of Neuronal Firing with Two-Photon Holographic Photoactivation of Chronos) и правда не требует разной частоты, добиваясь распределения мощности пучков за счет интерференции. Это очень здорово!
"Другое дело, что к двухфотонному возбуждению (двумя ИК лазерами) способны и сами канальные родопсины."
Я в родопсинах не разбираюсь от слова вообще, но каким образом белки способны на такое? Для этого требуются же переходные элементы?

[egovoru.livejournal.com]

"каким образом белки способны на такое?"

Родопсин - это комплекс белка с ретиналем, который и служит хромофором (т.е., поглощает видимый свет - сам белок поглощает только УФ). К двухфотонному возбуждению способна любая фотохимическая система с несколькими возбужденными синглетными уровнями. Единственное, что требуется, это чтобы время жизни нижнего уровня было достаточно долгим, чтобы система успела поглотить второй фотон. Вот тут приведена диаграмма такого возбуждения для полиенового соединения, химически сходного с ретиналем (для него самого будет то же самое, просто я не нашла в сети картинки):

[marigranula.livejournal.com]

Здорово, я и не знал, что это возможно!
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28262559 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28262559)
Так это дает вообще огромные возможности!

[egovoru.livejournal.com]

Эта статья как раз немного о другом. В норме родопсин, поглотивший квант света (или два, это все равно), не флуоресцирует, а использует эту энергию для выполнение своей биологической функции: в канальных родопсинах открываются "ворота" - дырка, через которую ионы могут проходить через мембрану, а тот родопсин, о котором эта статья, работает как протонный насос - т.е., перекачивает протоны через мембрану даже против электрохимического градиента (чего канальные родопсины не могут).

Но у этого конкретного насоса (а их много разных, у разных организмов) не вся энергия расходуется на транспорт протона - часть ее испускается в виде флуоресценции (естественно, более длинноволновой по сравнению с поглощенным квантом). Так вот, эту флуореценцию можно использовать для измерения мембранного потенциала - потому что ее интенсивность от него зависит!

То есть, такие белки служат флуоресцентными датчиками потенциала - причем, настолько быстрыми, что могут отслеживать электрическую активность нейрона. А значит, не нужно протыкать нейрон электродами, чтобы за ним следить - достаточно встроить в него эти белки и следить за их флуоресценцией. Этот недавно изобретенный метод быстро стал чрезвычайно популярным.

В этой же статье идет о речь о том, как сместить спектр испускания флуоресценции в еще более длинноволновую обасть (при этом спектр ее возбуждения тоже смещается в ту же сторону). Это нужно для того, чтобы было легче оптически разделять фотовозбуждение самого нейрона (что делается при помощи канальных родопсинов, поглощающих коротковолновый свет) и фотоактивацию этого датчика потенциала.

[marigranula.livejournal.com]

Ага! Я не врубился :)
Спасибо за Ваши очень хорошие разъяснения :)

[matsea.livejournal.com]

Вообще-то, нужно еще генетически закодированный ионный канал для оптогенетики. Это вирусом можно, только тоже непросто. На мышках делаем. Берется новорожденная мышка. Ей в мозгу вводится вирус, кодирующий светочувствительный ионный канал (channel rhodopsin). Можно сдклать так, чтобы этот белок (ионный канал) попадал только в определенную группу нейронов. Ну и дальше можно можно светом стимулировать эту группу нейронов. Только мозг надо открыть. На людях это все не очень пока. Но про лечение эпилепсии в этом ключк уже думают. Тут надо со световой стимуляцией не промахнутся, как Вы правильно заметили, но и с вирусом тоже не все так просто. Он должен быть посажен куда надо (что нетривиально), ну и не генерить потом токи бесконтрольно.

[marigranula.livejournal.com]

Я думал об оптогенетике как исследовательском методе на мышках :)
"Ну и дальше можно можно светом стимулировать эту группу нейронов. Только мозг надо открыть."
Но вот ведь для IR, как в описанном методе, мозг не надо открывать?
"но и с вирусом тоже не все так просто. Он должен быть посажен куда надо (что нетривиально), ну и не генерить потом токи бесконтрольно."
То есть, родопсины могут работать и без света?

[matsea.livejournal.com]

Ну, IR же направить надо, а не видно куда? Или весь мозг сильным IR облучать? Дык спечете )
Каналы (channel rhodopsin) могут спонтанно открываться, а они неродные, из бактерии. Так что могут эти левые сигналы все перепутать в нейронных сетях.
Да и как инфецировать человеческие мозги этими каналами, тоже непонятно. Мышиные способы нам не очень сгодятся.
Ну, и пока что непонятно зачем. Мышкам это все пока что не принесло никакой пользы, одни непрятности )
Но лет через 30-40 может и пойдет все это на людях