الکتروفیزیولوژی بدون نیاز به الکترود!

ده سال پیش، استفاده از اپتوژنتیک بمنظور تحریک فعالیت نورونی بدون نیاز به الکترود آغاز شد: یک کانال غشایی حساس به نور که بصورت ژنتیکی دستکاری شده و نور آبی، می‌توانند این کار را انجام دهند. در نشست انجمن علوم عصبی (SfN) در شیکاگو، دانشمندان روشهای جدیدی بمنظور ثبت فعالیت عصبی بصورت نوری، معرفی کردند؛ و نیز برطرف شدن نیاز به انجام اعمال تهاجمی بر روی سلولها و بافتها بوسیله‌ی پروبهای الکتریکی.

رویکرد پایه، بیان ژنهای کانال حساس به نور و یک گزارش دهنده نوری در سلول است. برای مثال محققان موفق شده‌اند توسط نشانگر کلسیمی دستکاری شده ژنتیکی، فعالیت سلولی را با تحریک اپتوژنتیکی، ثبت کنند؛ این نشانگر کلسیمی، پتانسیل‌های عمل را گزارش می‌دهد.

بمنظور فراهم آوردن دید بهتر بر فعالیت سلولی، خصوصا در سطح پتانسیل زیر عمل (the sub-action potential level)، تیم آدام کوهن در دانشگاه هاروارد، نشانگر ولتاژ نوری تحت عنوان “QuasAr” ساخته‌اند؛ این نشانگر با تغییرات ولتاژ سلول، در محدوده‌ی نزدیک امواج فروسرخ می‌درخشد (نشانگرهای ولتاژ در مقایسه با نشانگرهای کلسیم، سریعتر عمل می‌کنند). به همراه آزمایشگاه Ed Boyden در MIT، کوهن مولکول Channelrhodopsin جدیدی ایجاد کرده‌است که شدیدا به نور آبی حساس است. او این مولکول جدید را بهمراه  QuasAr در سلول بیان کرده‌است که محققان را قادر می‌سازد تا سلول را با نور آبی تحریک کنند و پاسخ آنها را با امواج فروسرخ ثبت کنند.

کوهن در حال اعمال رویکرد تمام نوری خود در سلولهای بنیادی پرتوان القا شده و توسعه‌ی فعالیتهای خود در بدن موجود زنده است؛ این سلولهای بنیادی از افراد مبتلا به amyotrophic lateral sclerosis تهیه شده‌است.

کوهن در مصاحبه با نشریه The Scientist گفت: “هدف این است که ثبت فعالیت را در مدارهای نورونی سالم آغاز کنیم تا ببینیم که چگونه یک نورون، پیامهای ورودی خود را دریافت و آنها را ادغام کرده و سپس تصمیم به فعالیت یا عدم فعالیت می‌گیرد.”

کوهن اذعان داشت با اینکه نشانگرهای ولتاژ، بهینه سازی‌های ارزشمندی در رویکردهای تمام نوری فراهم می‌کنند، کار با آنها از نظر تکنیکی در مقایسه با نشانگرهای کلسیمی دشوار است. او همچنین خاطر نشان کرد کار با گزارش دهنده‌های کلسیمی در مطالعات رفتاری مدتهاست که آغاز شده‌است درحالیکه او مدت کمی است ثبت فعالیت سلولها در بدن موجود زنده را آغاز کرده‌است.

او شرح داد، چالش نشانگرهای ولتاژ این است که آنها بسیار تار و مبهم (50 برابر تیره‌تر از پروتئین فلورسانس سبز) هستند، و مقیاس زمانی سریع یعنی تصویربرداری در مدت زمانهای تابش بسیار کوتاه. “ما همواره نیازمند فوتونها بوده‌ایم.”. عمق نفوذ نیز چالش بزرگی است –هنوز روشی برای ثبت فعالیت نقاط عمقی مغز یافت نشده‌است. “کلید موضوع این است که علم نور، پروتئینها و نرم افزار را بصورت موازی با یکدیگر پیش بریم.”

کوهن و توسعه دهندگان رویکردهای تمام نوری، خلاصه‌ای در رابطه با این حیطه در Journal of Neuroscience منتشر کردند که این روش را یک “الگوی جدید” برای بررسی فعالیتهای عصبی که پایه رفتار هستند، معرفی می‌کند. “نهایتا، با قادر بودن بر ثبت و دستکاری همزمان مدارهای عصبی با دقت فضایی و زمانی که آنها در زمان بروز رفتار، فعالیت می‌کنند، این رویکرد، افق‌های تازه‌ای به طبیعت کد عصبی فراهم می‌آورد.”


مقاله مرتبط: نور قرمز و کنترل پیام رسانی سلولی

مقاله مرتبط: اپتوژنتیک و سیستم‌های پیچیده سلولی