Teichabschaum führt zu kritischen Gehirn-Recherche-Tool

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Das Aushängeschild für Grundlagenforschung kann durchaus eine einzellige Grünalgen in gewöhnlichen Seen und Teichen zu finden sein. Erstaunlich, diese bescheidene Kreatur — Chlamydomonas genannt — hilft Wissenschaftlern eines komplexen und wichtigen Geheimnisse der Wissenschaft zu lösen: wie Milliarden von Neuronen im Gehirn miteinander durch elektrochemische Signale interagieren, Gedanken zu produzieren, Erinnerungen und Verhaltensweisen und wie fehlerhafte Neuronen können dazu beitragen, Erkrankungen des Gehirns wie Parkinson und Schizophrenie.

Es mag eingängig, dass ein kleine, relativ einfacher Organismus, der auch eine Gehirn hat Wissenschaftler verstehen, wie das Gehirn funktioniert helfen könnte. Aber diese Algen Wert Hirnforscher basiert nicht auf seinen Intellekt. Vielmehr basiert es auf seiner Licht-Empfindlichkeit, d. h. die Tatsache, dass dieser Organismus Bewegungen durch Licht gesteuert werden.

Dem Licht folgen

Chlamydomonasis Licht empfindlich, weil es erkennen und in Richtung Licht verschieben, selbst durch die Photosynthese ernähren muss. Sie haben diese Art von Lichtempfindlichkeit in Aktion gesehen, wenn Sie jemals bemerkt, dass Algen im See oder Teich an einem sonnigen Tag zu sammeln.

Das Erfolgsgeheimnis der Chlamydomonas Licht-Jagd ist ein lichtempfindlicher Protein, bekannt als ein Channelrhodopsin, liegt auf der Grenze zwischen den Algen Auge-artige Struktur, eine Siedlungslandes genannt.

Ermittlung der Funktionen der Neuronen

Umlegen des Schalters

Diese Studien inspiriert das Team kultivierten Neuronen von Ratten und Mäusen über eine wegweisende Gentechnik-Methode, die entwickelt Spudichs lichtempfindlichen Algen Proteine eingefügt durch das Team. Bei Lichteinfall in Labortests im Jahr 2004, diese eingefügten Proteine erzeugt elektrische Ströme – wie sie in den lichtempfindlichen Algen aus der sie stammt. Aber anstatt auf Licht-Jagd Verhaltensweisen wie in den Algen, diese Ströme – wenn im Ziel Neuronen generiert – aktiviert die normalen elektrochemischen Signalisierung der Neuronen, wie gewünscht.

Das heißt, zeigte das Team, dass durch Einfügen von lichtempfindlichen Proteine selektiv in Ziel Neuronen, sie diese Neuronen mit Lichtempfindlichkeit vermitteln konnte, dass sie durch Licht aktiviert werden würde. Das Team entwickelte dabei die Grundlagen der Optogenetik – durch Deisseroth definiert wird als "die Kombination von Genetik und Optik, klar definierte Ereignisse in bestimmten Zellen von lebendem Gewebe zu kontrollieren."

Die Mitglieder des Teams (entweder zusammen oder arbeiten in anderen Teams) entwickelt auch Werkzeuge, um:

• Schalten Sie Ziel Neuronen und stoppen Sie ihre elektrochemische Signalisierung durch Manipulation der lichtempfindlichen Proteine zu.
• Liefern Sie Licht an Ziel Neuronen bei Versuchstieren über einen Laser angebracht, ein Glasfaserkabel in das Gehirn implantiert.
• Einfügen Sie lichtempfindliche Proteine in verschiedenen Arten von Neuronen, damit ihre Funktionen identifiziert werden konnte.
• Die Funktionsweise jedes Gen in den Körper zu kontrollieren. Diese Kontrolle unterstützt Studien wie Genexpression im Gehirn neurochemische Signale beeinflussen kann und wie Änderungen in Schlüsselgene in Neuronen Faktoren wie lernen und Gedächtnis beeinflussen können.

"Das Gehirn ist ein Mysterium, und um es zu lösen, müssen wir eine Vielzahl neuer Technologien zu entwickeln", sagt Boyden. "Im Falle der Optogenetik, wandten wir uns an der Vielfalt der natürlichen Welt, Werkzeuge zu finden, für die Aktivierung und Neuronen zum Schweigen zu bringen – und fand serendipitously, Moleküle, die bereit waren, zu verwenden."

Die Macht der Optogenetik

Tausende von Forschergruppen auf der ganzen Welt werden derzeit zunehmend fortgeschrittene Techniken in der Optogenetik in Studien über das Gehirn von Versuchstieren integrieren. Solche Studien sollen zeigen, wie gesunde Gehirn lernen und Erinnerungen zu schaffen und zu identifizieren, die neuronalen Grundlagen von Erkrankungen des Gehirns und Störungen wie Parkinson-Krankheit, Angst, Schizophrenie, Depression, Schläge, Schmerzen, posttraumatischen Stress-Syndrom, Drogensucht, obsessive-compulsive Krankheit, Aggression und einige Formen von Blindheit.

Deisseroth sagt: "was Neurowissenschaftler über Optogenetik begeistert, ist Kontrolle über definierte Ereignisse in bestimmten Zelltypen zu definierten Zeiten – ein Maß an Präzision, die wichtigsten biologischen Verständnis auch über Neurowissenschaften ist. Und Milliscale-Skala Timing Präzisierung innerhalb der Säugetiere Verhalten wurde für wichtige Erkenntnisse sowohl normale Gehirnfunktion und klinische Probleme wie Parkinsonismus unerlässlich."

In der Tat ist die Optogenetik jetzt so wichtig, Hirnforschung, dass es gilt eines der wichtigen Werkzeuge für die Hirnforschung durch Förderung innovativer Neurotechnologien durch Förderung innovativer Neurotechnologien (Gehirn) Initiative, die von Präsident Obama im April 2013 angekündigt wurde.

Darüber hinaus wird die Optogenetik auf andere Organe neben dem Gehirn angewandt. NSF-finanzierte Forscher arbeiten z. B. um optogenetische Techniken zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen zu entwickeln.

Die Gesetze der unbeabsichtigten Folgen

Wie mit vielen entscheidenden wissenschaftlichen Fortschritt, die Entwicklung der Optogenetik auf viele Basic-Studien aufbaute, die inspiriert die intellektuellen Neugier von Forschern, die die wichtigsten praktischen Anwendungen ihrer Arbeit nicht möglicherweise vorhersehen konnten. "Die Entwicklung der Optogenetik ist noch ein schöner Beispiel für eine revolutionäre Biotechnologie aus rein Grundlagenforschung, wachsen", sagt Spudich.

Darüber hinaus viele der unterschiedlichen Disziplinen, die dazu beigetragen zur Erfindung der Optogenetik – einschließlich Elektrotechnik, Gentechnik, Physik und Mikrobiologie-mag auf ersten erröten, in keinem Zusammenhang zueinander und Gehirnforschung. Aber vielleicht die meisten überraschend war die Bedeutung der Grundlagenforschung auf Algen Proteine zur Entwicklung der Optogenetik.

Deisseroth sagte: "die Geschichte der Optogenetik zeigt, dass in den Boden haben wir bereits über bereist verborgen oder vergingen, dort wohnen kann, die wesentlichen Instrumente zur Seite von Modernität, die uns ermöglichen, unser Weg nach vorn Karte übernommen. Manchmal sind diese vernachlässigt oder archaischen Werkzeuge diejenigen, die am dringendsten gebraucht werden--die alte, die seltene, die kleinen und schwachen." Denkanstöße für jeden, der versucht, die Algen in einem trüben Gewässer als wertlos Teichabschaum entlassen!

Anmerkung der Redaktion: Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen-Archiv.