Optogenetica

L'optogenetica è un scienza emergente che combina tecniche ottiche e genetiche di rilevazione, allo scopo di sondare circuiti neuronali all'interno di cervelli intatti di mammiferi e di altri animali, in tempi dell'ordine dei millisecondi, tempi necessari per comprendere le modalità di elaborazione e trasformazione delle informazioni tra neuroni.

Storia

Il principio fondamentale su cui si basa tale tecnica innovativa, è l'innesco di un potenziale di azione all'interno di neuroni. Venne scoperto nel 2002 da Miesenböck (Zemelman 2002). Fu anche il primo ad utilizzare l'optogenetica per verificare il comportamento animale ( Lima 2005).

Il termine optogenetica fu coniato nel 2006 ( Deisseroth 2006) per riferirsi a metodologie ottiche ad alta velocità utili a sondare e controllare geneticamente ed in modo mirato i neuroni all'interno di circuiti neuronali intatti. L'anno dopo venne utilizzato per descrivere questa nuova tecnica nelle pagine di Science e Nature, in articoli di interesse generale ( Miller 2006, Miesenböck 2009) e tecnico-scientifici ( Zhang 2007a, Adamantidis 2007). L'Optogenetica è stata selezionata come metodo dell'Anno 2010 da Nature Methods ( MOY2010).

Descrizione

Il cervello è un sistema le cui funzioni avvengono a velocità elevatissime, per cui la precisione al millisecondo è determinante per comprendere i meccanismi neuronali che stanno alla base del concetto di optogenetica. La genetica tradizionale invece, viene utilizzata per sondare il ruolo causale di specifiche proteine all'interno delle cellule, attraverso cambiamenti in "perdita o in guadagno di funzione", per sondare come il codice genetico degli organismi che controllano lo sviluppo ed il comportamento.

Differenza con le tecniche tradizionali

La precisione temporale delle tradizionali manipolazioni genetiche è piuttosto lenta, dell'ordine di ore, giorni o addirittura mesi. Ma per verificare con precisione schemi neuronali sono necessari tempi dell'ordine del millisecondo, che solo con l'optogenetica è stato possibile realizzare. Questa tecnica consente l'aggiunta o la sottrazione di precisi schemi di attività all'interno di cellule bersaglio situate nel cervello intatto di animali, compresi i mammiferi. In questo modo l'introduzione di enzimi in canali cationici attivati dalla luce, ha consentito la manipolazione dell'attività neuronale con una precisione al millisecondo, pur mantenendo una risoluzione cellulare attraverso l'uso di specifici meccanismi bersaglio. Come risultato si è potuto indurre, in specifiche cellule animali dei treni di azione potenziali a frequenze specifiche. La potenziale importanza di controllare selettivamente precisi modelli d'azione potenziale nell'ambito di sottotipi di cellule cerebrali (per esempio, utilizzare la luce per controllare i neuroni sensibili otticamente), venne illustrata da Francis Crick Kuffler nelle sue lezioni presso l'Università della California a San Diego ( Crick 1999).

Cenni storici

Tra il 2002 ed il 2005 sono stati collaudati diversi metodi di fotostimolazione geneticamente mirata : dall'originale utilizzo delle opsine da parte del gruppo Miesenböck, al successivo gruppo di Kramer e Isacoff. Per una serie di ragioni tecniche, mentre si realizza il controllo fotonico della rete neurale, non è possibile il controllo dei modelli d'azione dei potenziali nei mammiferi. ( Zemelman 2002, Banghart 2004).

Dettagli della tecnica

Nel 2005, il gruppo Deisseroth ( Ed Boyden., Feng Zhang et al, Boyden 2005) a Stanford University ha proposto l'utilizzo di una prima opsine microbica in neurobiologia, la canalrodopsina-2, un singolo componente estratto dalle alghe, che ha consentito controlli funzionali su scale temporali dell'ordine di millisecondi, che richiede solo un'espressione genica per funzionare, e che si attiva con la luce dello spettro visibile mediante un cromoforo (retinico) già presente e che forniva la canalrodopsina-2 dal tessuto cerebrale dei mammiferi. L'utilità sperimentale della ChR2, per analizzare i circuiti neuronali, fu rapidamente verificata su diversi animali, dai mammiferi, ai vermi, al pesce zebra, e dal 2005 centinaia di gruppi di lavoro hanno utilizzato la ChR2 e le relative proteine microbiche. Per eccitare i neuroni, oltre alla canalrodopsina-2 è stata individuata un'altra opsina, la Volvox Canalrodopsina-1 (VChR1). L'utilità sperimentale della ChR2 è stata rapidamente verificata su diversi animali : dal comportamento dei mammiferi, fino gli organismi del modello classico, come mosche, vermi, e pesce zebra.

Eccitazione, Inibizione, Manipolazione

Per studiare le funzioni di una rete neurale biologica sono necessarie sia opsine di eccitazione e che opsine di inibizione : le opsine microbiche ChR2 e VChR1, assieme alla Halorodopsina ed alla Archaerodopsina sono opsine di eccitazione, mentre le opsine fungine come la Leptosphaeria maculans vengono utilizzate quale meccanismo di inibizione dei neuroni. In mezzo, per variare la concentrazione dei messaggeri intracellulari in singole cellule, come il Guanosin-monofosfato ciclico (cGMP),l'Inositolo trifosfato (IP3), ed l'Adenosina monofosfato ciclico (cAMP), sono stati creati degli appositi fotosensori chimerici, attraverso una fusione di opsine con specifiche proteine-G a recettori accoppiati ( Kim 2005), ( Airan 2009). Questa serie di sonde optogenetiche, consente ora, sia il controllo temporalmente più preciso delle cellule-tipo specifiche, che il controllo funzionale multiplo degli assoni neuronali, all'interno animali intatti.

Gli sviluppi

L'Optogenetica comprende necessariamente due aspetti fondamentali :

1. Lo sviluppo di strategie di bersaglio genetico, quali i promotori di cellule specifiche o altri virus su misura attivo-condizionale, per fornire le sonde sensibili alla luce di specifiche popolazioni di neuroni nel cervello di animali vivi (per esempio vermi, moscerini della frutta, topi, ratti e scimmie).
2. Lo sviluppo di strategie hardware (ad esempio integrato a sorgenti di luce a fibre ottiche e allo stato solido) per consentire all'interno del cervello specifiche analisi cellulari, anche in profondità. Quest'ultima tecnica viene realizzata nel 2007, utilizzando una tecnologia a diodi accoppiati a fibre ottiche (al Aravanis et al, 2007. Adamantidis et al, 2007. Gradinaru et al, 2007).

L'uso di fibre ottiche

Per stimolare aree come la corteccia cerebrale, sono state utilizzate fibre ottiche o LED direttamente montate al cranio dell'animale. Più profondamente le fibre ottiche vengono impiantate, più la luce arriva in aree più profonde del cervello. Le opsine microbiche (comprese la ChR2, la VChR1, e la Arch), realizzano un vantaggio fondamentale : sono pienamente funzionali all'interno del cervello dei mammiferi senza l'aggiunta di co-fattori esogeni.

Gli scienziati al lavoro

L'optogenetica ha favorito la comprensione di come specifici tipi di cellule neuronali contribuiscono alla funzione dei circuiti neurali in vivo ( Adamantidis 2007, Alilain 2008, Aravanis 2007, Arenkiel 2007, Atasoy 2008, Ayling 2009, Bernstein 2008, Bi 2006, Cardin 2009, Chow 2010, Claridge-Chang 2009, Clyne 2008, Douglass 2008, Gradinaru 2009, Han 2009, Hira 2009, Huber 2008, Hwang 2007, Kuhlman 2008, Ligali 2008, Lima 2005, Lima 2009, Li 2005, Liewald 2008, Lin 2008, Liu 2009, Nagel 2005, Sohal 2009, Toni 2008, Tsai 2009, Wang 2007, Zhang 2007, Zhang 2008). Sul versante clinico, i pazienti affetti da morbo di Parkinson e da altri disturbi neurologici e psichiatrici possono trarre beneficio da intuizioni che sorgono nel corso della ricerca optogenetica. In effetti, nel 2009 le ricerche sull'optogenetica hanno fornito preziose informazioni per la comprensione dei meccanismi di sviluppo di malattie quali il morbo di Parkinson, l'autismo, la schizofrenia, il depressione e dipendenze quali la tossicodipendenza. ( Cardin 2009, Gradinaru 2009, Sohal 2009, Tsai 2009).

Bibliografia

• Adamantidis AR, F Zhang, Aravanis AM, Deisseroth K, de Lecea L, Substrati neurali di risveglio sondato a controllo optogenetico di neuroni ipocretina, vol. 450, novembre 2007, DOI:10.1038/nature06310.
• Airan RD, Hu ES, Vijaykumar R, Roy M, Meltzer LA, Deisseroth K, / retrieve/pii/S0959-4388 (07) 00.121-3 Integrazione di luce controllata e di imaging neuronale veloce circuito, in Curr. Opin. Neurobiol., n. 5, ottobre 2007, DOI:10.1016/j.conb.2007.11.003.
• Airan RD, Thompson KR, Fenno LE, Bernstein H, K Deisseroth, temporalmente preciso nel controllo in vivo di segnali intracellulari, vol. 458, n. 7.241, aprile 2009, pp. 1.025-9, DOI:10.1038/nature07926.
• Alilain WJ, Li X, Corno KP,et, n. 46, novembre 2008, pp. 11.862-70, DOI:10.1523/JNEUROSCI.3378-08.2008, PMID 19.005.051, .org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 19005051 http://www.jneurosci .org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 19005051.
• Aravanis AM, Wang LP, F Zhang,et, un'interfaccia ottica neurali:. Controllo in vivo della corteccia motoria nei roditori con fibre ottiche integrate e optogenetic tecnologia, in J Neural Eng, vol. 4, n. 3, settembre 2007, pp. S143-56, DOI:10.1088/1741-2560/4/3/S02.
• Arenkiel BR, Peca J, Davison IG,et, vol. 54, n. 2, aprile 2007, pp. 205-18, DOI:10.1016/j.neuron.2007.03.005, elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273 (07) 00.183-3 http://linkinghub. elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273 (07) 00.183-3.
• Atasoy D, Aponte Y, Su HH, Sternson SM, .org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 18614669 Un interruttore obiettivi FLEX channelrhodopsin-2 a più tipi di cellule per il circuito di mappatura delle immagini e lungo raggio, n. 28, luglio 2008, pp. 7.025-30, DOI:10.1523/JNEUROSCI.1954-08.2008, PMID 18.614.669.
• Ayling OG, TC Harrison, JD Boyd, Goroshkov A, Murphy TH, Automated mapping basata sulla luce della corteccia motoria dalla fotoattivazione di channelrhodopsin-2 topi transgenici, vol. 6, n. 3, marzo 2009, pp. 219-24, DOI:10.1038/nmeth.1303.
• Banghart M, Borges K, Isacoff E, D Trauner, Kramer RH, canali ionici luce-attivato per il controllo remoto di neuronale, n. 12, dicembre 2004, pp. 1.381-6, DOI:10.1038/nn1356, PMID 15.558.062.
• Bi A, Cui J, Ma YP,et, vol. 50, n. 1, aprile 2006, pp. 23-33, DOI:10.1016/j.neuron.2006.02.026, PMID 16.600.853, [http: / / linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273 (06) 00.176-0 http: / / linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273 (06) 00.176-0].
• ES Boyden, F Zhang, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K, millisecondi-temporale, geneticamente mirata controllo ottico della attività neurale, n. 9, settembre 2005, pp. 1.263-8, DOI:10.1038/nn1525.
• Cardin JA, Carlen M, Meletis K,et, vol. 459, n. 7.247, giugno 2009, DOI:10.1038/nature08002, https://oadoi.org/10.1038/nature08002.
• Chow, BY, Han, X., Dobry, AS,et, vol. 463, n. 7.277, gennaio 2010, pp. 98-102, DOI:10.1038/nature08652, PMC 2.939.492, PMID 20.054.397, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2.939.492.
• Claridge-Chang A, Roorda RD, Vrontou E, Sjulson L, Li H, Hirsh, J, Miesenböck G, .elsevier.com/retrieve/pii/S0092-8674 (08) 00.215-8 ricordi Scrivere con la luce circuiti di rinforzo indirizzabile journal = Cell, vol. 139, n. 2, ottobre 2009, DOI:10.1016/j.cell.2009.08.034.
• Clyne JD, Miesenböck G, controllo specifici per sesso e messa a punto del generatore di pattern per il canto di corteggiamento in Drosophila, vol. 133, n. 2, aprile 2008, DOI:10.1016/j.cell.2008.01.050.
• L'impatto della biologia molecolare in neuroscienze, vol. 354, dicembre 1999, pp. 2.021-25, DOI:10.1098/rstb.1999.0541, PMC 1.692.710. </ cite >
• Deisseroth K, Feng G, Majewska AK, Miesenböck G, Ting A, Schnitzer MJ, .org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 17035522 tecnologie di prossima generazione di ottiche per l'illuminazione di circuiti cerebrali geneticamente mirata, n. 41, ottobre 2006, pp. 10.380-6, DOI:10.1523/JNEUROSCI.3863-06.2006, PMID 17.035.522.
• Douglass AD, Kraves S, K Deisseroth, Schier AF, F Engert, .elsevier.com/retrieve/pii/S0960-9822 (08) 00.959-7 comportamento Escape suscitato da picchi di singolo, channelrhodopsin-2-evocata nello zebrafish neuroni somatosensoriali, n. 15, agosto 2008, pp. 1.133-7, DOI:10.1016/j.cub.2008.06.077, PMID 18.682.213.
• Gradinaru V, Thompson KR, F Zhang,et, n. 52, dicembre 2007, pp. 14.231-8, DOI:10.1523/JNEUROSCI.3578-07.2007, / pmidlookup? & view = lungo pmid = 18160630 http://www.jneurosci.org/cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 18160630.
• Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, JM Henderson, Deisseroth K, decostruzione di ottica di parkinsoniani circuiti neurali, vol. 324, n. 5.925, aprile 2009, DOI:10.1126/science.1167093. < / cite>
• Han X, Boyden ES, 0000299 attivazione multipla ottico-colore, mettendo a tacere, e desincronizzazione dell'attività neurale, con il singolo-spike risoluzione temporale, vol. 2, n. 3, 2007, pp. e299, DOI:10.1371/journal.pone.0000299, PMID 17.375.185.
• Han X, X Qian, Bernstein JG,et, vol. 62, n. 2, aprile 2009, DOI:10.1016/j.neuron.2009.03.011, PMID 19.409.264, .elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273 (09) 00.210-4 http://linkinghub .elsevier.com/retrieve/pii/S0896-6273 (09) 00.210-4.
• Hira R, Honkura N, Noguchi J, et al', vol. 179, n. 2, maggio 2009, pp. 258-63, DOI:10.1016/j.jneumeth.2009.02.001, com/retrieve/pii/S0165-0270 (09) 00.080-6 http://linkinghub.elsevier. com/retrieve/pii/S0165-0270 (09) 00.080-6.
• D Huber, Petreanu L, N Ghitani,et, vol. 451, n. 7.174, gennaio 2008, pp. 61-4, DOI:10.1038/nature06445, https://oadoi.org/10.1038/nature06445.
• Kim JM, J Hwa, Garriga P, PJ Reeves, RajBhandary UL, Khorana HG, attivazione Light-driven del recettore beta 2-adrenergico segnalazione da un chimerico contenente rodopsina il recettore beta 2-adrenergico loop citoplasmatico., vol. 44, n. 7, febbraio 2005, pp. 2.284-92, DOI:10.1021/bi048328i.
• Kuhlman SJ, Huang ZJ, .0002005 ad alta risoluzione l'etichettatura e la manipolazione funzionale di specifici tipi di neuroni nel cervello di topo da Cre-attiva l'espressione genica virale, vol. 3, 2008, pp. e2005, DOI:10.1371/journal.pone.0002005, PMID 18.414.675.
• Lagali PS, Balya D, Awatramani GB,et, n. 6, giugno 2008, DOI:10.1038/nn.2117, https://oadoi.org/10.1038/nn.2117.
• Liewald JF, Brauner M, Stephens GJ,et, vol. 5, n. 10, ottobre 2008, DOI:10.1038/nmeth.1252, https://oadoi.org/10.1038/nmeth.1252.
• Lima SQ, Miesenböck G, (05) 00.115-7 Controllo remoto di comportamento attraverso fotostimolazione geneticamente mirata dei neuroni, vol. 121, n. 1, aprile 2005, pp. 141-52, DOI:10.1016/j.cell.2005.02.004.
• Lima SQ, T Hromádka, Znamenskiy P, Zador AM, pone.0006099 PinP: un nuovo metodo di codifica delle popolazioni neuronali per l'identificazione in vivo durante la registrazione elettrofisiologica, vol. 4, n. 7, 2009, pp. e6099, DOI:10.1371/journal.pone.0006099, PMID 19.584.920.
• JY Lin, Lin MZ, Steinbach P, RY Tsien, [http: / linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0006-3495 (09) 00.016-2 Caratterizzazione di varianti channelrhodopsin ingegnerizzati con migliori proprietà e cinetica], vol. 96, n. 5, marzo 2009, pp. 1803-1814, DOI:10.1016/j.bpj.2008.11.034, PMID 19.254.539.
• Liu Q, Hollopeter G, Jorgensen EM, org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 19528650 trasmissione sinaptica Graded presso il Caenorhabditis elegans giunzione neuromuscolare, vol. 106, n. 26, giugno 2009, pp. 10.823-8, PMID 19.528.650.
• Editoriale, Method of the Year 2010, DOI:10.1038/nMeth.F.32. </ cite >
• Miesenböck G, illuminano il cervello, n. 4, ottobre 2008, pp. 52-9, DOI:10.1038/scientificamerican1008-52.
• Miesenböck G, Il optogenetic catechismo, vol. 326, n. 5.951, ottobre 2009, DOI:10.1126/science.1174520.
• [http : / / www.sciencemag.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=17170269 Optogenetics. Shining nuova luce sui circuiti neurali], vol. 314, n. 5.806, dicembre 2006, pp. 1.674-6, DOI:10.1126/science.314.5806.1674.
• / retrieve/pii/S0960-9822 (05) 01.407-7 Luce di attivazione channelrhodopsin-2 in cellule eccitabili di Caenorhabditis elegans innesca un rapido risposte comportamentali, in Curr. Biol., n. 24, dicembre 2005, pp. 2.279-84, DOI:10.1016/j.cub.2005.11.032.
• Sohal VS, F Zhang, Yizhar O, Deisseroth K, neuroni parvalbumina e ritmi gamma di migliorare le prestazioni del circuito corticale, vol. 459, n. 7.247, giugno 2009, DOI:10.1038/nature07991.
• Szobota S, Gorostiza P, F Del Bene,et, vol. 54, n. 4, maggio 2007, DOI:10.1016/j.neuron.2007.05.010, / retrieve/pii/S0896-6273 (07) 00.344-3 http://linkinghub.elsevier.com / retrieve/pii/S0896-6273 (07) 00.344-3.
• Toni N, Laplagne DA, Zhao C,et, n. 8, agosto 2008, pp. 901-7, DOI:10.1038/nn.2156, PMID 18.622.400, https://oadoi.org/10.1038/nn.2156.
• Tsai HC, F Zhang, Adamantidis A,et, vol. 324, maggio 2009, pp. 1.080-4, DOI:10.1126/science.1168878, https://oadoi.org/10.1126/science.1168878.
• Wang S, S Szobota, Wang Y,et, n. 12, dicembre 2007, pp. 3.859-63, DOI:10.1021/nl072783t, https://oadoi.org/10.1021/nl072783t.
• Wang H, Peca J, M Matsuzaki,et, vol. 104, n. 19, maggio 2007, pp. 8.143-8, PMID 17.483.470, org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 17483470 http://www.pnas. org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 17483470.
• Zemelman BV, Lee GA, Ng M, Miesenböck G, fotostimolazione selettiva dei neuroni geneticamente pagano, vol. 33, n. 1, gennaio 2002, pp. 15-22, DOI:10.1016/S0896-6273 (01) 00.574-8.
• channelrhodopsin-2 e il controllo ottico delle cellule eccitabili, vol. 3, ottobre 2006, DOI:10.1038/nmeth936.
• vol. 446, n. 7.136, aprile 2007, DOI:10.1038/nature05744, https://oadoi.org/10.1038/nature05744.
• interruttori: tecnologie ottiche per sondare i segnali neurali e sistemi, n. 8, agosto 2007, pp. 577-81, DOI:10.1038/nrn2192.
• Zhang YP, Holbro N, Oertner TG, org / cgi / pmidlookup? & view = lungo pmid = 18697934 induzione di ottica di plasticità alle sinapsi unico rivela l'accumulo di input specifici della alphaCaMKII, vol. 105, n. 33, agosto 2008, pp. 12.039-44, PMID 18.697.934.
• Red-spostata eccitazione optogenetic:. Uno strumento per un rapido controllo neurale deriva da carteri Volvox, n. 6, giugno 2008, DOI:10.1038/nn.2120, PMID 18.432.196.

Collegamenti esterni

• Optogenetics Resource Center, il portale del laboratorio Deisseroth.
• sintetica Neurobiologia Group, MIT, il portale del laboratorio Boyden.
• OpenOptogenetics.org, un wiki aperto circa optogenetics.
• Optophysiology presso il laboratorio di Tyler
• Laboratorio del dottor Zhuo-Hua Pan