Yaklaşık 20 yıl önce bilim insanları, üzerlerine ışık tutarak nöronları uyarmanın veya susturmanın yollarını geliştirdiler. Optogenetik olarak bilinen bu teknik, araştırmacıların belirli nöronların işlevlerini ve devre oluşturmak için diğer nöronlarla nasıl iletişim kurduklarını keşfetmelerini sağlar.
Bu tekniğe dayanarak, MIT ve Harvard Üniversitesi araştırmacıları artık nöron aktivitesinde daha uzun vadeli değişiklikler elde etmenin bir yolunu buldular. Yeni stratejileriyle, nöronların zarlarının elektriksel kapasitansını değiştirmek için ışığa maruz kalmayı kullanabilirler, bu da uyarılabilirliklerini değiştirir (elektriksel ve fizyolojik sinyallere ne kadar güçlü veya zayıf tepki verirler).
Nöron uyarılabilirliğindeki değişiklikler, öğrenme ve yaşlanma dahil olmak üzere beyindeki birçok süreçle ilişkilendirilmiştir ve ayrıca Alzheimer hastalığı da dahil olmak üzere bazı beyin bozukluklarında gözlemlenmiştir.
Xiao Wang, “Bu yeni araç, nöron uyarılabilirliğini hafif kontrol edilebilir ve uzun vadeli bir şekilde yukarı ve aşağı ayarlamak için tasarlandı, bu da bilim adamlarının çeşitli nöron türlerinin uyarılabilirliği ile hayvan davranışları arasındaki nedenselliği doğrudan kurmasını sağlayacak” diyor. Thomas D. ve Virginia Cabot MIT’de Kimya Yardımcı Doçent ve MIT ve Harvard Broad Enstitüsü üyesi. “Yaklaşımımızın hastalık modellerinde gelecekteki uygulaması, ince ayarlı nöron uyarılabilirliğinin anormal beyin devrelerini normale döndürmeye yardımcı olup olmayacağını söyleyecektir.”
Harvard Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’nda yardımcı doçent olan Wang ve Jia Liu, bugün yayınlanan makalenin kıdemli yazarlarıdır. Bilim Gelişmeleri.
MIT Kimya Bölümü yüksek lisans öğrencisi Chanan Sessler; Broad Institute’ta postdoc olan Yiming Zhou; ve Harvard’da yüksek lisans öğrencisi olan Wenbo Wang, makalenin baş yazarlarıdır.
membran manipülasyonu
Optogenetik, bilim adamlarının ışığa duyarlı iyon kanallarını ifade etmek için nöronlar tasarlayarak nöron aktivitesini manipüle etmek için kullandıkları bir araçtır. Bu tasarlanmış nöronlar ışığa maruz kaldığında, kanallardan geçen iyon akışındaki değişiklikler nöron aktivitesini bastırır veya artırır.
“Işık kullanarak, bu iyon kanallarını açabilir veya kapatabilirsiniz ve bu da nöronları harekete geçirir veya susturur. Bu, gerçek zamanlı olarak hızlı bir yanıt sağlar, ancak bu, bu nöronları kontrol etmek istiyorsanız, onları sürekli aydınlatmak,” diyor Sessler.
MIT ve Harvard ekibi, etkinliğin geçici olarak etkinleştirilmesi veya bastırılması yerine uyarılabilirlikte daha uzun süreli değişiklikler oluşturabilmeleri için tekniği değiştirmeye koyuldu. Bunu yapmak için, hücre zarının elektriği iletme yeteneğinin önemli bir belirleyicisi olan kapasitansını değiştirmeye odaklandılar.
Hücre zarının kapasitansı arttığında, nöronlar daha az uyarılabilir hale gelir – yani, diğer hücrelerden gelen girdilere yanıt olarak bir aksiyon potansiyeli ateşleme olasılığı azalır. Kapasitans azaldığında, nöronlar daha uyarılabilir hale gelir.
“Nöronların uyarılabilirliği, iki zar özelliği tarafından yönetilir: iletkenlik ve kapasitans. Birçok çalışma, iyon kanalları tarafından yürütülen zar iletkenliğine odaklanırken, doğal olarak meydana gelen miyelinasyon süreçleri, zar kapasitansını modüle etmenin, beyin gelişimi sırasında nöron uyarılabilirliğini ayarlamanın başka bir etkili yolu olduğunu öne sürer. öğrenme ve yaşlanma.Bu nedenle, membran kapasitansını değiştirerek nöron uyarılabilirliğini ayarlayıp ayarlayamayacağımızı merak ettik” diyor Liu.
Liu ve meslektaşları, Stanford Üniversitesi’nde bir postdoc iken, nöronların uyarılabilirliğini, zarlarında iletken veya yalıtkan polimerler oluşturmaya teşvik ederek değiştirebileceklerini gösterdiler. 2020’de yayınlanan bu çalışmada Liu, polimerleri birleştirmek için peroksidaz adı verilen bir enzim kullandı. Ancak bu yaklaşım, polimerlerin nerede biriktiği konusunda kesin kontrole izin vermedi. Ayrıca reaksiyon, hücrelere zarar verebilecek hidrojen peroksit gerektirdiğinden bazı riskler de taşıyordu.
Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için Liu’nun Harvard’daki laboratuvarı, yeni bir yaklaşım denemek için Wang’ın MIT laboratuvarıyla işbirliği yaptı. Araştırmacılar, peroksidaz kullanmak yerine, polimer oluşumunu katalize edebilen, genetik olarak tasarlanmış, ışığa duyarlı bir protein kullandılar.
Bir laboratuvar çanağında büyütülen nöronlarla çalışan araştırmacılar, hücreleri miniSOG olarak bilinen bu ışığa duyarlı proteini ifade edecek şekilde tasarladılar. Mavi dalga boylarındaki ışıkla etkinleştirildiğinde miniSOG, reaktif oksijen türleri adı verilen oldukça reaktif moleküller üretir. Aynı zamanda, araştırmacılar hücreleri ya PANI olarak bilinen iletken bir polimerin ya da PDAB olarak bilinen yalıtkan bir polimerin yapı taşlarına maruz bırakıyorlar.
Birkaç dakikalık ışığa maruz kaldıktan sonra, reaktif oksijen türleri, bu yapı taşlarını PDAB veya PANI’da bir araya getirmeye teşvik eder.
Tüm hücre yama kıskacı olarak bilinen bir teknik kullanan araştırmacılar, iletken PANI polimerlerine sahip nöronların daha az uyarılabilir hale geldiğini, yalıtkan PDAB polimerlerine sahip nöronların ise daha uyarılabilir hale geldiğini buldular. Ayrıca, daha uzun ışığa maruz kalmanın uyarılabilirlikte daha büyük kaymalar ürettiğini de bulmuşlardır.
Zhou, “Optogenetik polimerizasyonun avantajı, polimerizasyon reaksiyonu üzerinde kesin zamansal kontroldür, bu da membran özelliklerinin öngörülebilir kademeli ince ayarına izin verir” diyor.
Uzun süreli değişiklikler
Araştırmacılar, uyarılabilirlikteki değişikliklerin üç güne kadar sürdüğünü gösterdiler; bu, nöronları laboratuvar çanaklarında canlı tutabildikleri sürece. Şimdi bu tekniği, beyin dokusu dilimlerinde kullanılabilmesi için uyarlamaya çalışıyorlar ve daha sonra, fareler veya solucan C. elegans gibi hayvanların beyinlerinde umut ediyorlar.
Araştırmacılar, bu tür hayvan çalışmalarının, nöron uyarılabilirliğindeki değişikliklerin multipl skleroz ve Alzheimer hastalığı gibi bozuklukları nasıl etkilediğine ışık tutmaya yardımcı olabileceğini söylüyor.
“Belirli bir hastalıkta daha yüksek veya daha düşük uyarılabilirliğe sahip olduğunu bildiğimiz belirli bir nöron popülasyonumuz varsa, o zaman fareleri yalnızca o nöron tipinde ifade edilen bu ışığa duyarlı hale getiren proteinlerden biriyle transdükte ederek potansiyel olarak bu popülasyonu modüle edebiliriz ve sonra bunun olup olmadığına bakarız. davranış üzerinde istenen etkiye sahip” diyor Wenbo Wang. “Yakın gelecekte, bu hastalıkları araştırmak için daha çok bir model olarak kullanıyoruz, ancak potansiyel terapötik uygulamaları hayal edebilirsiniz.”
Kaynak ve İleri Okuma: https://medicalxpress.com/news/2022-12-neuron.html