เมื่อประมาณ 20 ปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการกระตุ้นหรือปิดเสียงเซลล์ประสาทด้วยการฉายแสงไปที่เซลล์ประสาท เทคนิคนี้รู้จักกันในชื่อออพโตเจเนติกส์ ช่วยให้นักวิจัยสามารถสำรวจการทำงานของเซลล์ประสาทที่เฉพาะเจาะจงและวิธีที่พวกมันสื่อสารกับเซลล์ประสาทอื่นๆ เพื่อสร้างวงจร
จากเทคนิคนี้ นักวิจัยของ MIT และ Harvard College ได้ค้นพบวิธีที่จะทำให้กิจกรรมของเซลล์ประสาทเปลี่ยนแปลงในระยะยาว ด้วยกลยุทธ์ใหม่ พวกเขาสามารถใช้การเปิดรับแสงเพื่อเปลี่ยนความจุไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ประสาท ซึ่งเปลี่ยนความตื่นเต้นง่าย (การตอบสนองที่รุนแรงหรืออ่อนแอต่อสัญญาณไฟฟ้าและสรีรวิทยา)
การเปลี่ยนแปลงของความตื่นเต้นง่ายของเซลล์ประสาทนั้นเกี่ยวข้องกับกระบวนการหลายอย่างในสมอง รวมถึงการเรียนรู้และอายุที่มากขึ้น และยังพบในความผิดปกติของสมองบางอย่าง รวมถึงโรคอัลไซเมอร์ด้วย
“เครื่องมือใหม่นี้ออกแบบมาเพื่อปรับความตื่นเต้นของเซลล์ประสาทขึ้นและลงในลักษณะที่ควบคุมได้เล็กน้อยและระยะยาว ซึ่งจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สร้างสาเหตุโดยตรงระหว่างความตื่นเต้นง่ายของเซลล์ประสาทประเภทต่างๆ และพฤติกรรมของสัตว์” เสี่ยวหวางกล่าว Thomas D. และ Virginia Cabot เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านเคมีที่ MIT และเพื่อนของ MIT และ Harvard Broad Institute “การประยุกต์ใช้แนวทางของเราในอนาคตในแบบจำลองโรคจะแสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นเซลล์ประสาทแบบละเอียดสามารถช่วยให้วงจรสมองผิดปกติเป็นปกติได้หรือไม่”
Wang และ Jia Liu ผู้ช่วยศาสตราจารย์แห่ง Harvard Faculty of Engineering and Utilized Sciences เป็นผู้เขียนอาวุโสของหนังสือเล่มนี้ กระดาษปรากฏในวันนี้ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์.
Chanan Sessler นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก MIT Division of Chemistry; Yiming Zhou, postdoc ที่ Broad Institute; และ Wenbo Wang นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก Harvard เป็นผู้เขียนหลักของบทความนี้
การจัดการเมมเบรน
ออปโตเจเนติกส์เป็นเครื่องมือที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการควบคุมกิจกรรมของเซลล์ประสาทโดยวิศวกรรมให้แสดงช่องไอออนที่ไวต่อแสง เมื่อเซลล์ประสาทที่ได้รับการออกแบบเหล่านี้สัมผัสกับแสง การเปลี่ยนแปลงของไอออนฟลักซ์ผ่านช่องสัญญาณจะยับยั้งหรือเพิ่มกิจกรรมของเซลล์ประสาท
“การใช้แสง คุณสามารถเปิดหรือปิดช่องไอออนเหล่านี้ได้ และนั่นจะทำให้เซลล์ประสาทตื่นเต้นหรือเงียบลง สิ่งนี้ช่วยให้ตอบสนองได้อย่างรวดเร็วแบบเรียลไทม์ แต่นั่นหมายความว่าหากคุณต้องการควบคุมเซลล์ประสาทเหล่านี้ คุณต้องเปิดช่องไอออนเหล่านี้อย่างต่อเนื่อง “เซสเลอร์กล่าว
ทีมงานของ MIT และ Harvard ได้เริ่มปรับแต่งเทคนิคเพื่อให้สามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงที่ยาวนานขึ้นในความตื่นเต้นแทนการเปิดใช้งานหรือระงับกิจกรรมชั่วคราว ในการทำเช่นนี้ พวกเขามุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงความจุของเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญของความสามารถในการนำไฟฟ้า
เมื่อความจุของเยื่อหุ้มเซลล์เพิ่มขึ้น เซลล์ประสาทจะตื่นเต้นน้อยลง นั่นคือ มีโอกาสน้อยที่จะกระตุ้นศักยภาพในการดำเนินการเพื่อตอบสนองต่อข้อมูลจากเซลล์อื่น เมื่อความจุลดลง เซลล์ประสาทจะตื่นตัวมากขึ้น
“ความตื่นเต้นง่ายของเซลล์ประสาทถูกควบคุมโดยคุณสมบัติเมมเบรนสองอย่าง ได้แก่ การนำไฟฟ้า และความจุ ในขณะที่การศึกษาหลายชิ้นมุ่งเน้นไปที่การนำไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ที่ขับเคลื่อนโดยช่องไอออน ดังนั้นเราจึงสงสัยว่าเราจะสามารถปรับความตื่นเต้นง่ายของเซลล์ประสาทโดยการเปลี่ยนความจุของเมมเบรนได้หรือไม่” Liu กล่าว
ในขณะที่ postdoc ที่ Stanford College Liu และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนแปลงความตื่นเต้นง่ายของเซลล์ประสาทโดยกระตุ้นให้พวกเขาสร้างโพลิเมอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหรือเป็นฉนวนในเยื่อหุ้มเซลล์ ในการศึกษานี้ซึ่งตีพิมพ์ในปี 2020 Liu ใช้เอนไซม์ที่ชื่อว่าเปอร์ออกซิเดสเพื่อประกอบโพลีเมอร์ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ไม่อนุญาตให้มีการควบคุมตำแหน่งที่โพลิเมอร์สะสมอย่างแม่นยำ นอกจากนี้ยังก่อให้เกิดความเสี่ยง เนื่องจากปฏิกิริยาต้องใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งอาจทำลายเซลล์ได้
เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ ห้องทดลองของ Liu ที่ Harvard ได้ร่วมมือกับห้องทดลองของ MIT ของ Wang เพื่อลองวิธีการใหม่ แทนที่จะใช้เปอร์ออกซิเดส นักวิจัยได้ใช้โปรตีนที่ไวต่อแสงซึ่งได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมซึ่งสามารถกระตุ้นการก่อตัวของโพลิเมอร์ได้
นักวิจัยได้ออกแบบเซลล์ให้แสดงโปรตีนที่ไวต่อแสงที่เรียกว่า miniSOG โดยทำงานร่วมกับเซลล์ประสาทที่เติบโตในห้องทดลอง เมื่อเปิดใช้งานด้วยแสงที่ความยาวคลื่นสีน้ำเงิน miniSOG จะสร้างโมเลกุลที่มีปฏิกิริยาสูงที่เรียกว่าสายพันธุ์ออกซิเจนที่มีปฏิกิริยา ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยเปิดเผยเซลล์ให้กับส่วนประกอบของโพลิเมอร์นำไฟฟ้าที่รู้จักกันในชื่อ PANI หรือพอลิเมอร์ที่เป็นฉนวนที่รู้จักกันในชื่อ PDAB
หลังจากได้รับแสงไม่กี่นาที สปีชีส์ของออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาจะกระตุ้นให้หน่วยการสร้างเหล่านี้รวมตัวกันใน PDAB หรือ PANI
นักวิจัยพบว่าเซลล์ประสาทที่มีโพลิเมอร์ PANI ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้านั้นถูกกระตุ้นน้อยลง ในขณะที่เซลล์ประสาทที่มีโพลิเมอร์ PDAB ที่เป็นฉนวนจะตื่นตัวมากขึ้น พวกเขายังพบว่าการเปิดรับแสงที่นานขึ้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่มากขึ้นในความตื่นเต้น
“ข้อได้เปรียบของการเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบออปโตจีเนติกส์คือการควบคุมชั่วคราวอย่างแม่นยำเหนือปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชัน ซึ่งช่วยให้สามารถคาดการณ์การปรับคุณสมบัติของเมมเบรนทีละน้อยได้อย่างค่อยเป็นค่อยไป” โจวกล่าว
การเปลี่ยนแปลงในระยะยาว
นักวิจัยพบว่าการเปลี่ยนแปลงของความตื่นเต้นง่ายกินเวลานานถึงสามวัน ตราบเท่าที่พวกเขาสามารถรักษาเซลล์ประสาทให้มีชีวิตอยู่ในจานทดลองได้ ขณะนี้พวกเขากำลังทำงานเพื่อปรับเทคนิคนี้เพื่อใช้กับชิ้นส่วนของเนื้อเยื่อสมองและต่อมาในสมองของสัตว์ เช่น หนูหรือหนอน ค. สง่างาม.
นักวิจัยกล่าวว่าการศึกษาในสัตว์ดังกล่าวสามารถช่วยให้เข้าใจได้ว่าการเปลี่ยนแปลงของความตื่นเต้นง่ายของเซลล์ประสาทส่งผลต่อความผิดปกติเช่นโรคปลอกประสาทเสื่อมแข็งและโรคอัลไซเมอร์อย่างไร
“ถ้าเรามีเซลล์ประสาทจำนวนหนึ่งที่เรารู้ว่ามีความตื่นเต้นง่ายสูงหรือต่ำในโรคหนึ่งๆ เราก็อาจปรับเปลี่ยนประชากรนั้นได้โดยการแปลงสัญญาณหนูด้วยหนึ่งในโปรตีนที่ไวต่อแสงซึ่งแสดงออกในเซลล์ประสาทชนิดนั้นเท่านั้น แล้วเราก็ ‘จะดูว่าเกิดขึ้นหรือไม่ “ในอนาคตอันใกล้นี้ เรากำลังใช้มันเป็นแบบจำลองในการศึกษาโรคเหล่านี้มากขึ้น แต่คุณสามารถจินตนาการถึงการประยุกต์ใช้การรักษาที่เป็นไปได้”
การวิจัยได้รับทุนสนับสนุนจาก Nationwide Science Basis และ Harvard ผ่านโครงการ Searle Students, ศูนย์วิจัยจิตเวช Stanley ที่ Broad Institute, โครงการ Younger Investigator Workplace of Scientific Analysis ของกองทัพอากาศ, ศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุแห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด กองทุนการแข่งขันของคณบดีสำหรับทุนการศึกษาที่มีแนวโน้ม
#การใชแสงเพอจดการกบความตนเตนงายของเซลลประสาท #ขาวเอมไอท
