徠卡顯微鏡光遺傳學去多色工具
光遺傳學是一種技術♀☿☼☀☁☂☄，可以讓科學家們通過設計他們表達光敏蛋白來控制神經元的電活動與光芒⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。 在過去的十年中웃유ღ♋♂，它已成為一種非常強大的工具ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，用于發現不同類型的細胞的功能㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂，在大腦中ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。
大多數這些光敏感蛋白웃유ღ♋♂，被稱為視蛋白☈⊙☉℃℉❅，在藍綠色范圍響應的光⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。現在✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，來自麻省理工學院的一個小組發現了一個視蛋白是紅色光웃유ღ♋♂，這使得研究人員能夠獨立控制神經元的兩類人群的活動一次⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，使腦功能更復雜的研究敏感ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。
“如果你想看到兩組不同的細胞相互作用⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，或同一小區的兩個群體是如何互相競爭⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤，你需要能夠獨立激活這些人口❣❦❧♡۵，”埃德寶鼎生物工程副教授☾☽❄☃，并說腦與認知科學在麻省理工學院和新的研究的資深作者㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。
新視蛋白是在120種藻類的屏幕找到約60光敏感蛋白之一✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。這項研究發表在自然法的2月9日在線版❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，也取得了最快的視蛋白❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，使研究人員能夠研究神經活動模式與毫秒級的精度ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。
寶鼎和甘恩嘉澍黃醫藥和生物科學在阿爾伯塔大學的教授☈⊙☉℃℉❅，是該論文的高級作者ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，而主要作者是麻省理工學院博士后彌敦道Klapoetke❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。來自霍華德休斯醫學研究所的Janelia農場研究校園❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，賓夕法尼亞大學☈⊙☉℃℉❅，科隆大學和北京基因組研究所的研究人員也促成了這項研究⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。
圖片：村田泰信⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，麥戈文研究所
在生活的色彩
視蛋白天然存在于許多藻類和細菌ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，它使用光敏感蛋白⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，以幫助他們應對其環境和產生能量ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。
實現神經元的光控制❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，科學家工程師腦細胞表達的基因的視蛋白☈⊙☉℃℉❅，該轉運的離子穿過細胞膜웃유ღ♋♂，以改變其電壓☈⊙☉℃℉❅。根據所使用的視蛋白㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，在細胞上閃耀光要么降低了電壓和沉默神經元放電或升壓電壓和引發細胞✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，以產生一個電脈沖⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。這個效果幾乎是即時的和容易逆轉✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。
使用這種方法♀☿☼☀☁☂☄，研究人員可以有選擇地打開細胞或關閉的人口①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，觀察大腦中發生了什么ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。然而㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，直到現在ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，他們可以在一個時間只能激活一個群體❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，因為這回應了紅燈唯一的視蛋白也回應了藍色的光✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，所以他們不能與其他視蛋白配對來控制兩臺不同的細胞群ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。
尋求額外的有用的視蛋白✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，麻省理工學院的研究人員與黃的研究小組在阿爾伯塔大學⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，這是測序1,000植物ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，包括一些藻類的轉錄工作❣❦❧♡۵。（轉錄組是相似的基因組웃유ღ♋♂，但僅包括由一個細胞✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，而不是它的遺傳物質的整體表達的基因☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。）
一旦團隊獲得✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，似乎代碼為視蛋白基因序列✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，Klapoetke測試了他們的光響應在哺乳動物腦組織✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，與瑪莎君士坦丁 - 佩頓㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，生物學和腦與認知科學的麻省理工學院教授✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，麥戈文學會會員工作⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，而該論文的作者⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。紅色感光視蛋白⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，其中研究人員命名Chrimson☾☽❄☃，可以響應光用735納米波長介導的神經活動⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。
研究人員還發現了一個藍光驅動的視蛋白✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，它有兩個非常可取的特質：它工作在高速①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，這是非常昏暗的光線敏感㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。這種視蛋白⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，稱為Chronos的ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，可以刺激與藍色光太弱激活Chrimson水平❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。
“你可以用昏暗的藍色光短脈沖來驅動藍色的ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，你可以使用強闖紅燈駕駛Chrimsonⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，而且可以讓你做真正的兩色❣❦❧♡۵，零串擾激活完整的大腦組織✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，” Boyden小♀☿☼☀☁☂☄，誰是麻省理工學院媒體實驗室的成員ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，麥戈文腦研究所說⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。
研究人員曾試圖修改自然發生的視蛋白ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，使他們更快地做出反應和應對調光燈ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，但試圖優化一個特點往往使其他功能惡化⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。
“很明顯✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，試圖工程師般的色彩웃유ღ♋♂，光感度和動力學特征的時候㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，總有取舍웃유ღ♋♂，”Klapoetke說⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。“我們很幸運⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，自然的東西實際上是超過快好幾倍⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，也五六倍光敏感比什么都重要✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。”
選擇性控制
這些新的視蛋白借給自己幾種類型的研究ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，以前不可能ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，博伊登說♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。為1ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，科學家不僅可以操縱感興趣的細胞群的活性✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，而且還控制上游的細胞通過分泌神經遞質影響目標人群⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。
配對Chrimson和Chronos的也可以讓科學家在大腦中學習不同類型的細胞的功能❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，在同一個微電路ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。這些細胞通常位于非常接近ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，但與新的視蛋白它們可以獨立地具有兩種不同顏色的光進行控制ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。
“我認為在這個優秀的論文中描述的工具㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，代表了這兩個基礎和轉化神經科學的一大進步웃유ღ♋♂，”Botond Roska在ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，高級小組負責人在弗里德里希米歇爾生物醫學研究所在瑞士⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，誰是不是該研究小組的一部分說㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。“被移向紅外范圍光遺傳學工具⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，如Chrimson本文中描述的☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，是不是更藍移的變體更好☾☽❄☃，因為它們是低毒性❣❦❧♡۵，激活更少的瞳孔反射⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，并激活患者更少的剩余的光感受器ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。 “
大多數光遺傳學研究迄今已在小鼠中已經完成❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，但是Chrimson可用于果蠅⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，一種常用的試驗有機體的光遺傳學研究❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。研究人員已經用藍色感光視蛋白在果蠅ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，因為光線可以進入果蠅的眼睛和驚嚇他們①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，正在研究中的行為干擾了麻煩✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。
維韋克賈亞拉曼㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，一個研究小組負責人在Janelia農場和論文的作者☾☽❄☃，能夠表明웃유ღ♋♂，當紅燈是用來刺激Chrimson在果蠅這種驚嚇反應不會發生☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。
因為紅燈損害較小的組織比藍色光⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，Chrimson還擁有潛在的人類最終的治療用途⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，博伊登說✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。與其他視蛋白的動物研究已經在幫助感光細胞在視網膜的損失后ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，對恢復視力表明承諾⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。
研究人員目前正在試圖修改Chrimson在紅外范圍內響應的光✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。他們也努力使雙方Chrimson和Chronos的更快웃유ღ♋♂，更怕光㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。
該項目的麻省理工學院的部分得到了衛生部✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，麻省理工學院媒體實驗室⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤，美國國家科學基金會①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，華萊士閣下科爾特基金會☾☽❄☃，Alfred P. Sloan基金會ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，一個NARSAD青年研究者格蘭特✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，人類前沿科學計劃的國家研究院資助ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，一個NYSCF羅伯遜神經科學研究員獎☈⊙☉℃℉❅，IET自動對焦哈維獎ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，科學技術的斯科爾科沃學院⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，和珍妮特和謝爾頓拉辛'59웃유ღ♋♂。