Optogenetik – at kontrollere neuroner med lys – kan føre til helbredelse af PTSD, Alzheimers

Gennem det nye felt af optogenetik, en teknologi, der gør det muligt at kontrollere genetisk modificerede neuroner i levende væv præcist ved hjælp af lys, forskere forsøger at få en bedre forståelse af, hvordan hjernen fungerer i håb om at finde kure mod invaliderende neurale lidelser såsom posttraumatisk stresslidelse (PTSD) og Alzheimers sygdom.

En Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ingeniør, sammen med forskere ved University of Michigan og New York University (NYU), har taget et stort skridt fremad i at muliggøre "multicolor" optogenetisk kontrol af forskellige neurontyper. Holdet, herunder LLNLs Komal Kampasi, udviklet et nyt siliciumbaseret neuralt implantat, der kan kontrollere hjernecellernes elektriske aktivitet ved at skinne flerfarvet lys ind i hjernen på vågne mus. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Microsystems &Nanoengineering og optrådte på tidsskriftets juniforside.

Avisens hovedforfatter, Kampasi udførte sit arbejde som doktorgradskandidat ved University of Michigan. Hun sagde, at teknologien åbner nye veje for neurale kredsløbsforhør, som vil hjælpe videnskabsmænd til bedre at forstå organiseringen og funktionen af ​​komplekse neurale kredsløb.

"Mens den meste forskning inden for optogenetik har fokuseret på at manipulere en neurontype ad gangen ved at levere ensfarvet lys, vores teknologi tilbyder en flerfarvet, fiberløs løsning til at kontrollere to eller flere rumligt blandede neuronale populationer, Kampasi forklarede. "Dette er et stort skridt fremad inden for optogenetik, fordi neurovidenskabsmænd nu kan manipulere forskellige neurontyper på lokalt kredsløbsniveau, mens de samtidig optager høj kvalitet, støjsvage elektriske data fra disse celler."

Kampasi, som kaldte enheden en "teknisk milepæl, " tilføjede, at hendes teams design eliminerer brugen af ​​voluminøse, invasive optiske fibre ved at integrere indbyggede mikrolasere og bølgeledere for at levere flerfarvet lys, gør platformen meget mere kompakt, skalerbar og mindre invasiv, mens den optiske bevares, termiske og elektriske enhedskarakteristika, der kræves til et neuralt implantat.

National Institutes of Health (NIH) finansierede det treårige studie som en del af White House BRAIN-initiativet - en offentlig-privat samarbejdsindsats for at revolutionere forståelsen af ​​den menneskelige hjerne. Det fokuserede på at udvikle avancerede neuroteknologier til at studere tættere og dybere hjerneområder såsom hippocampus, den del af hjernen, der er ansvarlig for at skabe og fastholde minder. Kampasis team, ledet af University of Michigan professor Euisik Yoon, udviklede den flerfarvede neurale optoelektrode, som blev implanteret i hjernen på mus af Gyorgy Buzsakis team af neurovidenskabsmænd ved NYU. Buzsakis team ønskede at forstå, hvordan minder bliver dannet og slettet ved at studere interaktionen mellem forskellige celletyper i hippocampus.

"Vi ville vide, om vi præcist kunne kontrollere spiking-aktiviteten af ​​tæt sammenblandede neurontyper i mus hippocampus; vi var ekstatiske over at se, at vi kan, " sagde Kampasi. "En sådan evne til at manipulere flere celletyper, samtidigt og uafhængigt, på en specifik kredsløbsplacering er afgørende for at forstå samspillet mellem forskellige neurontyper og udgør en vigtig vej i fremtiden for neurovidenskabelig forskning."

Et af Kampasis nuværende mål er at anvende teknologien til LLNLs unikke fleksible, tyndfilm neurale prober. LLNL's elektrodearrays er blevet brugt i adskillige undersøgelser for nylig til at registrere og stimulere hjerneaktivitet og har vist langvarige levetider. Integration af indbygget fleksibel optik på LLNL's enheder vil markant forbedre mulighederne for eksisterende neurale probe arrays og muliggøre nye undersøgelser, der tidligere ikke var mulige, sagde forskere.

"Ved at kombinere denne state-of-the-art optiske stimuleringsevne med Livermores fleksible neurale probe-teknologi, som viser exceptionel stabilitet og levetid, vi arbejder på at udvikle en første af sin slags, fleksible polymerbaserede optoelektrodearrays, " sagde Shankar Sundaram, direktør for LLNL's Bioengineering Center. "Det her, i overensstemmelse med højdensitets elektrofysiologiske optagelser, lover at kaste nyt lys over hjernens funktion."