使用光子作为控制神经活动的神经递质

我们的大脑是由数十亿的神经元,形成复杂的网络连接。他们之间的交流通过发送电子信号,称为动作电位,和化学信号,称为神经递质,这一过程被称为突触传递。

化学神经递质释放一个神经元,扩散到他人,到达目标细胞,产生一个信号刺激,抑制或调节细胞活性。这些信号的时间和强度是至关重要的对大脑处理和解释感觉信息做出决定,并生成的行为。

控制神经元之间的连接将使我们更好地理解和治疗神经紊乱,重建或修复后的神经回路的故障损坏,提高我们的学习能力或扩大我们的行为。

有几种方法来控制神经活动。一个可能的方法是使用药物,改变大脑中神经传递素的化学物质含量,影响神经元的活动。另一种方法是使用电刺激应用于特定的脑区激活或抑制神经元。第三种可能性是用光来控制神经活动。

用光子来控制神经活动

使用光操纵神经活动是一种相对较新的技术,已经过去了。它涉及基因修改神经元表达光敏蛋白质,离子通道,泵或特定靶细胞的酶。这种技术可以让研究人员精确地控制混凝土的神经元的活性更高的精度。

然而,有一些限制。需要交付非常接近神经元实现足够的分辨率在突触水平,光散射的脑组织。因此,它往往是侵入性的,需要外部干预。此外,强度达到目标所需的细胞可以对他们有害。

为了克服这些挑战,ICFO的一个研究小组提出了自然方法一个系统,使用光子代替化学神经递质作为一种策略来控制神经活动。

ICFO研究者蒙特塞拉特门,阿德里亚娜卡冈萨雷斯,该处Sanfeliu-Cerdan, Shadi Karimi) Nawaphat Malaiwong, Aleksandra Pidde,路易斯·菲利普莫拉莱斯和莎拉Gonzalez-Bolivar为首的教授迈克尔·克里格与巴勃罗·费尔南德斯和塞德里克Hurth,已经开发出一种方法来连接两个神经元通过使用荧光素酶,发光酶、光敏感离子通道。

他们已经开发和测试一个系统命名为光子PhAST-short突触发射器蛔虫线虫,生物模型被广泛用于研究特定的生物过程。像发光的动物如何使用光子通信,PhAST使用酶荧光素酶发出光子,而不是化学物质,神经元之间的信号传送器。

用光子代替化学神经递质

为了测试光子可以编纂和传输两个神经元之间的活动状态,团队转基因蛔虫有错误的神经递质,使其对机械刺激。他们使用PhAST系统旨在克服这些缺陷。

其次,他们设计的发光酶荧光素酶和选择对光线敏感的离子通道。遵循信息流动,他们开发了一种设备,机械应力测量时动物的鼻子,同时,钙感觉神经元的活动,其中最重要的离子和细胞内信使。

能够看到光子和研究生物发光,团队此前曾设计了一个新的显微镜通过简化荧光,删除所有不必要的光元素如过滤器、镜子、或激光本身,辅助机器学习来减少噪声来自外部的光源。

研究人员然后检测PhAST系统工作在几个实验,成功地利用光子传输神经状态。他们可以建立一个新的传输两个无关的细胞,恢复神经缺陷电路通信。他们也抑制动物的痛苦的刺激反应,改变了他们的回应的嗅觉刺激吸引厌恶行为和产蛋时钙动力学进行了研究。

这些结果说明光子确实可以作为神经递质,使神经元之间的通信,PhAST系统允许动物行为的合成改性。

光作为一个信使的潜力

光作为一个信使为未来潜在的应用提供了广阔的空间。作为光子可以用于其他类型的细胞和一些动物物种,它有广泛的影响在神经科学基础研究和临床应用。

使用光来控制和监测神经元活动可以帮助研究人员更好地理解大脑功能和复杂行为的潜在机制,以及不同的大脑区域如何相互沟通,提供成像的新方法和映射空间和时间分辨率较高的大脑活动。它还能帮助研究人员开发新的治疗方法,例如,用于修复受损的大脑连接没有侵入性手术。

然而,仍然有一些限制技术的广泛使用,并进一步改善工程的生物荧光酶和离子通道或定位的分子将允许控制光学神经功能,侵害性和更高的特异性和精度。