Pond Scum Leidt Tot Kritische Brain Research Tool

{h1}

Onderzoek naar vijverschuim heeft geholpen bij belangrijke doorbraken in hersenonderzoek.

Dit artikel achter de schermen werd aan WordsSideKick.com gegeven in samenwerking met de National Science Foundation.

Het affichekind voor fundamenteel onderzoek is misschien wel een eencellige groene algen in gewone meren en vijvers. Verbazingwekkend genoeg helpt dit bescheiden schepsel - genaamd Chlamydomonas - wetenschappers helpen om een ​​van de meest complexe en belangrijke mysteries van de wetenschap op te lossen: hoe miljarden neuronen in de hersenen met elkaar reageren door elektrochemische signalen om gedachten, herinneringen en gedrag te produceren en hoe slecht functionerende neuronen kunnen bijdragen tot hersenziekten zoals de ziekte van Parkinson en schizofrenie.

Het lijkt misschien niet intuïtief dat een klein, relatief eenvoudig organisme dat niet eens een brein heeft, wetenschappers kan helpen begrijpen hoe het brein werkt. Maar de waarde van deze algen voor hersenwetenschappers is niet gebaseerd op haar intellect. In plaats daarvan is het gebaseerd op zijn lichtgevoeligheid, d.w.z. het feit dat de bewegingen van dit organisme worden bestuurd door licht.

Het licht volgen

Chlamydomonasis is lichtgevoelig omdat het licht moet detecteren en naar het licht moet bewegen om zichzelf door fotosynthese te voeden. Je hebt dit soort lichtgevoeligheid in actie gezien als je ooit algen hebt zien ophopen in een meer of vijver op een zonnige dag.

Het geheim van het licht jagende succes van Chlamydomonas is een lichtgevoelig eiwit, bekend als een kanaalrhodopsine, dat zich bevindt op de grens van de oogachtige structuur van de algen, een oogvlek genoemd.

Wanneer licht de lichtgevoelige eiwitten (weergegeven in het groen) op een neuron raakt, wordt het neuron geactiveerd.

Wanneer licht de lichtgevoelige eiwitten (weergegeven in het groen) op een neuron raakt, wordt het neuron geactiveerd.

Krediet: Ed Boyden en MIT McGovern Institute

Bij lichtinval zet dit lichtgevoelige eiwit - dat veel op een zonnepaneel lijkt - licht om in een elektrische stroom. Het doet dit door de vorm ervan te veranderen in een kanaal door de grens van de oogpot. Met dit kanaal kunnen positief geladen deeltjes de grens overschrijden en het oogvlekgebied binnengaan. De resulterende stroom geladen deeltjes genereert een elektrische stroom die, door een cascade van gebeurtenissen, de twee flagella-zweepachtige zwembewegingen van de algen dwingt om het organisme naar het licht te sturen.

De lichtgevoelige eiwitten van Chlamydomonas en hun vermogen om elektrische stromen te genereren voor licht jagen werden ontdekt in 2002 door een onderzoeksteam van het University of Texas Health Science Center in Houston dat werd geleid door John Spudich en inclusief Oleg SIneshchekov en Kwang-Hwan Jung; het team werd gefinancierd door de National Science Foundation. De ontdekkingen van dit team over de algen-eiwitten volgde op decennia van onderzoek door Spudich, een biofysische chemicus, en zijn medewerkers over hoe lichtgevoelige receptoren het zwemgedrag regelen in vele soorten micro-organismen.

"Mijn interesse in Chlamydomonas is afgeleid van mijn interesse in de basisprincipes van visie, dat wil zeggen, de moleculaire mechanismen waarmee organismen licht gebruiken om informatie over hun omgeving te verkrijgen", zegt Spudich. "Ik ben al heel lang gefascineerd door de manier waarop micro-organismen de wereld" zien "en begonnen met de eenvoudigste - bacteriën met lichtgevoelige bewegingen (phototaxis), gevolgd door fototaxis in meer complexe algen.Onze focus lag op het begrip van de basisbiologie van deze verschijnselen. "

Toen Spudich's onderzoek naar lichtwaarneming door Chlamydomonas werd gepubliceerd, ontwikkelde het de basiswetenschap van lichtwaarneming en signalering in micro-organismen aanzienlijk. Maar in die tijd wist niemand dat het op den duur het schijnbare verre hersenonderzoek van het hersenonderzoek op een slinkse manier zou voortplanten.

Identificatie van de functies van neuronen

Desalniettemin was Spudich's ontdekking van de lichtgevoelige algen-eiwitten een spel-wisselaar voor een NSF-gefinancierd team van hersenonderzoekers aan de Stanford University, dat bestond uit Karl Deisseroth, Edward Boyden en Feng Zhang. Door hun samenwerking in een uniek interdisciplinair team in de vroege jaren 2000, boden deze onderzoekers gezamenlijk expertise aan op het gebied van neurowetenschappen, elektrotechniek, fysiologie, chemie, genetica, synthetische biologie en psychiatrie. (Boyden en Zhang zijn nu bij MIT.)

Een eerste doel van dit team was om een ​​nieuwe technologie te ontwikkelen voor het selectief aan- en uitzetten van doelneuronen en circuits van neuronen in de hersenen van proefdieren, zodat resulterende gedragsveranderingen in real time konden worden waargenomen; deze informatie kan worden gebruikt om de functies van gerichte neuronen en circuits van neuronen te identificeren.

De strategie achter deze technologie - uiteindelijk de optogenetica genoemd - is analoog aan die van iemand die een voor een systematisch de zekeringen (of stroomonderbrekers) in een huis aan en uit zet om de bijdrage van elke zekering (of stroomonderbreker) te identificeren naar het vermogen van het huis.

Een aan / uit-schakelaar voor neuronen

Maar in tegenstelling tot huishoudelijke zekeringen en stroomonderbrekers, hebben neuronen geen gebruiksvriendelijke aan / uit-schakelaar. Om een ​​manier te ontwikkelen om neuronen te controleren, moest het Stanford-team een ​​nieuw type neuronale schakelaar maken. Met financiering van NSF ontwikkelde het team een ​​op licht gebaseerde schakelaar die kan worden gebruikt om doelwitneruonen selectief in te schakelen door ze aan licht bloot te stellen.

Waarom koos het team voor een op licht gebaseerde strategie? Omdat licht - een bijna alomtegenwoordige kracht in de natuur - de kracht heeft om vele soorten belangrijke elektrische en chemische reacties die in de natuur voorkomen, zoals fotosynthese aan en uit te zetten. Het team redeneerde daarom dat licht, onder bepaalde omstandigheden, ook de kracht kan hebben om elektrochemische signalen van hersenneuronen aan en uit te zetten.

Maar om een ​​op licht gebaseerde neuronale aan / uit-schakelaar te maken, moest het team een ​​groot probleem oplossen: neuronen zijn van nature niet lichtgevoelig. Dus moest het team een ​​manier vinden om een ​​subset van neuronen lichtgevoelig te maken (zonder de niet-doelneuronen te veranderen), zodat behandelde neuronen selectief zouden reageren op een op licht gebaseerde schakelaar. Eén mogelijke strategie: in doelneuronen een soort lichtgevoelig molecuul installeren dat niet elders in de hersenen aanwezig is.

Het team miste het juiste type lichtgevoelige molecuul voor de taak totdat verschillende belangrijke studies werden aangekondigd. Deze studies omvatten de ontdekking door Spudich van de lichtgevoelige algen-eiwitten, evenals onderzoek onder leiding van microbiële biofysici Peter Hegemann, Georg Nagel en Ernst Bamberg in Duitsland, waaruit bleek dat deze eiwitten elektrische stroomstoten kunnen opwekken in dierlijke cellen, niet alleen in algen.

Een geactiveerd neuron in een wirwar van neuronen.

Een geactiveerd neuron in een wirwar van neuronen.

Krediet: Ed Boyden en MIT McGovern Institute

Klik op de schakelaar

Deze onderzoeken inspireerden het team om de lichtgevoelige algen-eiwitten van Spudich in gekweekte neuronen van ratten en muizen in te voegen via een baanbrekende genetische manipulatiemethode die door het team werd ontwikkeld. Wanneer ze in 2004 werden blootgesteld aan licht in laboratoriumtests, produceerden deze ingevoegde eiwitten elektrische stromen - net zoals ze deden in de lichtgevoelige algen waarvan ze afkomstig waren. Maar in plaats van licht-achtervolgingsgedrag aan te zetten zoals in de algen, zetten deze stromen - indien gegenereerd in doelneuronen - de normale elektrochemische signalering van de neuronen aan, zoals gewenst.

Met andere woorden, het team toonde aan dat door het selectief invoegen van lichtgevoelige eiwitten in doelneuronen, deze deze neuronen lichtgevoelig konden maken zodat ze zouden worden geactiveerd door licht. Het team ontwikkelde daarbij de basisprincipes van optogenetica - gedefinieerd door Deisseroth als "de combinatie van genetica en optica om goed gedefinieerde gebeurtenissen binnen specifieke cellen van levend weefsel te beheersen."

De leden van het team (hetzij samenwerkend of in andere teams) ontwikkelden ook tools om:

Licht wordt naar de doelneuronen van een laboratoriummuis gestraald via een vezelkabel die in de hersenen wordt geïmplanteerd.

Licht wordt naar de doelneuronen van een laboratoriummuis gestraald via een vezelkabel die in de hersenen wordt geïmplanteerd.

Krediet: Inbal Goshen en Karl Deisseroth
  • Schakel doelneuronen uit en stop hun elektrochemische signalering door lichtgevoelige eiwitten te manipuleren.
  • Lever licht tot doelneuronen bij proefdieren via een laser die is bevestigd aan een vezelkabel die in de hersenen is geïmplanteerd.
  • Voeg lichtgevoelige eiwitten toe aan verschillende soorten neuronen, zodat hun functies kunnen worden geïdentificeerd.
  • Bepaal de werking van elk gen in het lichaam. Een dergelijke controle ondersteunt studies over hoe genexpressie in de hersenen neurochemische signalering kan beïnvloeden en hoe veranderingen in sleutelgenen in neuronen factoren zoals leren en geheugen kunnen beïnvloeden.

"Het brein is een mysterie en om het op te lossen, moeten we een grote verscheidenheid aan nieuwe technologieën ontwikkelen", zegt Boyden. "In het geval van optogenetica, wendden we ons tot de diversiteit van de natuurlijke wereld om gereedschappen te vinden voor het activeren en het stilleggen van neuronen - en vonden, toevallig, moleculen die klaar waren om te gebruiken."

De kracht van Optogenetics

Duizenden onderzoeksgroepen over de hele wereld gebruiken momenteel steeds geavanceerdere technieken in optogenetica om de hersenen van proefdieren te onderzoeken. Dergelijke onderzoeken zijn bedoeld om te onthullen hoe gezonde hersenen leren en herinneringen creëren en om de neuronale basis van hersenziekten en aandoeningen te identificeren, zoals de ziekte van Parkinson, angst, schizofrenie, depressie, beroertes, pijn, posttraumatisch stresssyndroom, drugsverslaving, obsessieve compulsieve ziekte, agressie en sommige vormen van blindheid.

Deisseroth zegt: "Wat neurowetenschappers enthousiast maken over optogenetica is controle over gedefinieerde gebeurtenissen binnen gedefinieerde celtypen op vastgestelde tijden - een niveau van precisie dat het meest cruciaal is voor biologisch inzicht, zelfs buiten de neurowetenschappen, en millimale schaal timingprecisie binnen gedragen zoogdieren is essentieel geweest voor belangrijke inzichten in zowel de normale hersenfunctie als in klinische problemen, zoals parkinsonisme. "

Inderdaad, optogenetica is nu zo belangrijk voor hersenonderzoek dat het wordt beschouwd als een van de kritische instrumenten voor het hersenonderzoek door middel van geavanceerde innovatietechnologieën via het innovatieve innovatief neurotechnologieën (BRAIN) -initiatief, dat in april 2013 door president Obama werd aangekondigd.

Daarnaast wordt optogenetica toegepast op andere organen naast de hersenen. NSF-gefinancierde onderzoekers werken bijvoorbeeld aan de ontwikkeling van optogenetische technieken voor de behandeling van hartritmestoornissen.

De wetten van onbedoelde gevolgen

Zoals met veel cruciale wetenschappelijke ontwikkelingen, was de ontwikkeling van optogenetica gebaseerd op vele basisonderzoeksstudies die waren geïnspireerd door de intellectuele nieuwsgierigheid van onderzoekers die onmogelijk de belangrijke praktische toepassingen van hun werk konden voorzien. "De ontwikkeling van optogenetica is nog een mooier voorbeeld van een revolutionaire biotechnologie die voortkomt uit puur fundamenteel onderzoek", zegt Spudich.

Bovendien lijken veel van de uiteenlopende disciplines die hebben bijgedragen aan de uitvinding van optogenetica - waaronder elektrotechniek, gentechnologie, fysica en microbiologie - op het eerste gezicht niets met elkaar te maken en met de hersenwetenschap.Maar misschien wel het meest verrassend was het belang van fundamenteel onderzoek naar algeneiwitten voor de ontwikkeling van optogenetica.

Deisseroth zei: "Het verhaal van optogenetica laat zien dat we verborgen zijn in de grond waar we al overheen zijn gereisd of voorbij zijn gegaan, er kunnen de essentiële gereedschappen verblijven, opzij geschoven door moderniteit, die ons in staat zullen stellen om onze weg naar voren in kaart te brengen Soms zijn deze verwaarloosde of archaïsche gereedschap is datgene dat het meest nodig is - het oude, het zeldzame, het kleine en het zwakke. "Stof tot nadenken voor iedereen die in de verleiding komt om de algen in een duister water te doven als waardeloos vijverresten!

Opmerking van de uitgever: De onderzoekers afgebeeld in Behind the Scenes-artikelen zijn ondersteund door de National Science Foundation, het federale bureau belast met de financiering van fundamenteel onderzoek en onderwijs op alle gebieden van wetenschap en techniek. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de opvattingen van de National Science Foundation. Zie het archief achter de schermen.


Video Supplement: Calling All Cars: The Blonde Paper Hanger / The Abandoned Bricks / The Swollen Face.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com