行为科学以光速

科学家们长期研究大脑的连接的思想行为,连接一个人的内心生活的外部世界。他们已经使用许多不同的方法来探索这个连接,包括损伤研究和神经影像。但即使是复杂的工具如经颅磁刺激(TMS)和功能性磁共振成像(fMRI)有些钝工具时大脑的理解是多么的举动引起我们的思考能力,感觉和行为。但是现在,一个新兴的行业,被称为光遗传学是为研究人员提供一个前所未有的机会来控制脑细胞的推动按钮。半岛体育官方网址入口

光的力量

Illana b .威滕

在2000年代中期,卡尔戴瑟罗斯,斯坦福大学的神经学家和Ed Boyden戴瑟罗斯的一个研究生,发现某些藻类可以作为打开和关闭大脑细胞的方法。具体的藻类,它们指出,感光,能够将入射光转换成电能。Boyden和戴瑟罗斯认为,如果这些感光特性可以被集成到神经元,神经元本身就与光刺激。

研究者们半岛体育官方网址入口孤立的DNA编码的感光特性,他们能够将这些基因转移到大鼠神经元。一旦插入,开始生产的基因视蛋白蛋白质,可以将光转化为电力,当接触到合适的光线,神经元就开始放电(Boyden et al ., 2005)。

通过利用这些视蛋白的力量,Boyden和戴瑟罗斯已经成功地开发了一种工具,允许他们精确控制神经元的放电。

Boyden,现在麻省理工学院的教授在生物工程与跨部门任命以及脑与认知科学、光遗传学研究开辟了一个全新的途径。“大脑是一个非常密集的连接计算电路,由细胞的大量相互连接的…很难分析这些不同类型的神经元是如何一起工作的完整大脑协调复杂的计算,支持的感觉,情绪,决定,和运动,”他说。光遗传学,研究人员现在有能力使神经元光半岛体育官方网址入口可控而不影响邻近神经元的功能,我们可以“确定的角色,这种神经元在大脑的计算和功能。”

爱德华Boyden

光遗传学不仅允许科学家针对特定的细胞类型,说Ilana威滕,博士后研究员卡尔戴瑟罗斯斯坦福大学的实验室,它还允许一个更精确的时间表。以前的方法,像电刺激”,不加选择地影响电极尖端附近的所有细胞,”她认为,“虽然药理技术可以针对细胞类型,但非常缓慢的时间分辨率。“换句话说,药物可以用来改变特定神经元的活动,但不会发生变化。因为光遗传学允许研究人员实时目标特定的细胞,威滕说,“我半岛体育官方网址入口们可以获得新的见解几乎任何行为的神经基础。”

阿森纳的视蛋白

神经科学家迅速采用光遗传学作为一个至关重要的理解大脑功能的基础科学的工具。与特殊的硬件和软件的结合,他们可以设置光纤提供精确的波长的光的老鼠的大脑特定区域精确的时间。此外,由于Boyden和戴瑟罗斯第一光遗传学研究在哺乳动物中发表,光遗传学研究人员发现额外的视蛋白在细菌、真菌和其他micoorganisms。半岛体育官方网址入口

脑细胞,视蛋白Boyden和戴瑟罗斯孤立从藻类在他们的第一个研究中,可以用来刺激神经元。但是其他的视蛋白,如紫archaerhodopsin,产生相反的效果和禁用,或沉默,神经元。字段说明这意味着什么,Boyden指出,研究人员利用这些工具来证明沉默一小群活老鼠的下丘脑中的神经元导致它们入睡,虽然这些神经元激活导致老鼠醒半岛体育官方网址入口来。

也许最重要的在其应用程序中使用光遗传学的理解疾病和障碍。带着这个阿森纳不同的视蛋白,科学家可以更好地确定类型的神经元可能大脑中负责开车的病理过程。作为她的博士后工作的一部分,威滕是试图找出如何使用optogenetic方法抵消上瘾的大脑变化特征(例如,威滕et al ., 2010)。和世界各地的研究小组使用的是光遗传学研究各种其他疾病过程包括帕金森氏症、抑郁症和焦虑。

Boyden还认为,光遗传学的精度可以帮助研究人员识别特定的药物靶点,可以用来治疗各种疾病,包括行为的。半岛体育官方网址入口例如,药物选择性地调节下丘脑神经元集群的可能用于治疗睡眠障碍。

光遗传学的未来是光明的

在不到十年的时间里,光遗传学已经彻底改变了神经科学的方法来研究大脑功能。只是能够控制神经元远非全部。威滕和Boyden注意能够观察和记录这些神经元也同样重要。“我们需要同样准确和快捷的方法,观察神经活动在正常和病变的大脑,”威滕说。也就不足为奇了,Boyden麻省理工学院的团队目前主要集中在发展中神经记录的工具。

Boyden现在和他的团队发现自己的先锋一个正在迅速发展的研究领域。神经科学领域的现在,能够解决理解大脑的重大挑战将需要不同的技能和知识的来源。Boyden,自己已经在神经科学和工程背景,与跨技术领域的专家合作,问题域,他们试图解决这些巨大的挑战。一起,Boyden和他的合作者继续工作在许多不同的技术“扰动,观察神经回路包括硬件,使三维光传送到大脑。这个硬件将使科学家能够使用更复杂的光纤阵列光遗传学研究。

迄今为止,光遗传学研究一直局限于啮齿动物模型,但临床应用在人类的承诺依然触目惊心。兴奋的潜在贡献两个神经科学基础研究和应用,威滕承认“非常广泛接受光遗传学是一个强大的方法。“但她也敦促警告:就像任何其他技术,“它需要应用若有所思地导致有意义的和有趣的结果。”