Omhyggeligt udformede lysimpulser styrer neuronaktivitet

Specielt tilpasset, ultrahurtige lysimpulser kan udløse neuroner til at fyre og kan en dag hjælpe patienter med lysfølsomme døgn- eller humørproblemer, ifølge en ny undersøgelse af mus ved University of Illinois.

Kemikere har brugt sådanne omhyggeligt udformede lysstråler, kaldet sammenhængende kontrol, at regulere kemiske reaktioner, men denne undersøgelse er den første demonstration af at bruge dem til at styre funktionen i en levende celle. Undersøgelsen brugte optogenetiske musneuroner - det vil sige celler, der havde et gen tilføjet for at få dem til at reagere på lys. Imidlertid, forskerne siger, at den samme teknik kunne bruges på celler, der naturligt reagerer på lys, som dem i nethinden.

"Ordsprog, 'Øjet er sjælens vindue' har en eller anden fortjeneste, fordi vores kroppe reagerer på lys. Fotoreceptorer i vores nethinder forbinder til forskellige dele i hjernen, der styrer humør, metaboliske rytmer og døgnrytmer, "sagde Dr. Stephen Boppart, lederen af ​​undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik . Boppart er professor i el- og computerteknik og bioingeniør i Illinois, og er også læge.

Forskerne brugte lys til at ophidse en lysfølsom kanal i membranen af ​​neuroner. Da kanalerne var spændte, de lod ioner igennem, som fik neuronerne til at fyre.

Mens de fleste biologiske systemer i naturen er vant til det kontinuerlige lys fra solen, Bopparts team brugte en strøm af meget korte lysimpulser - mindre end 100 femtosekunder. Dette leverer meget energi på kort tid, spændende molekylerne til forskellige energitilstande. Sammen med at kontrollere længden af ​​lyspulserne, Bopparts team styrer rækkefølgen af ​​bølgelængder i hver lyspuls.

"Når du har en ultrakort eller ultrahurtig lyspuls, der er mange farver i den puls. Vi kan kontrollere, hvilke farver der kommer først, og hvor lyse hver farve vil være, "Sagde Boppart." F.eks. blå bølgelængder er meget højere energi end røde bølgelængder. Hvis vi vælger hvilken farve der kommer først, vi kan styre hvilken energi molekylet ser på hvilket tidspunkt, at drive spændingen højere eller ned igen til basislinjen. Hvis vi skaber en puls, hvor den røde kommer før den blå, det er meget anderledes, end hvis det blå kommer før det røde. "

Forskerne demonstrerede at bruge mønstre af skræddersyede lyspulser til at få neuronerne til at fyre i forskellige mønstre.

Boppart siger, at sammenhængende kontrol kan give optogenetiske undersøgelser mere fleksibilitet, da ændrede egenskaber for det anvendte lys kan give forskere flere veje end at skulle konstruere mus med nye gener, hver gang de ønsker en anden neuronadfærd.

Uden for optogenetik, forskerne arbejder på at teste deres sammenhængende kontrolteknik med naturligt lysreagerende celler og processer - nethindeceller og fotosyntese, for eksempel.

"Det, vi gør for første gang, er at bruge lys og sammenhængende kontrol til at regulere biologisk funktion. Dette er grundlæggende mere universelt end optogenetik - det er bare det første eksempel, vi brugte, "Sagde Boppart." I sidste ende, dette kan være genfrit, lægemiddelfri måde at regulere celle- og vævsfunktion på. Vi tror, ​​der kunne være 'opto-ceuticals, 'metoder til behandling af patienter med lys.'