Neues Gerät hat das Potenzial, Hilfe Parkinson-Krankheit, Epilepsie ; Hilfe Verständnis des Bewusstseins , wie Erinnerungen Formular

Ein neues Werkzeug für die Neurowissenschaftler liefert tausend Nadelstiche von Licht, um ein Stück der grauen Substanz kleiner als ein Stück Würfelzucker . Das neue faseroptische Gerät , am Massachusetts Institute of Technology (MIT ) in Cambridge erstellt von Biologen und Ingenieuren , ist das erste Tool, das eine präzise Lichtpunkte auf eine 3-D- Abschnitt lebenden Hirngewebe liefern kann . Die Arbeit ist ein Schritt nach vorn für eine relativ neue, aber vielversprechende Technik , die Gentherapie verwendet, um einzelne Gehirnzellen an und aus mit Licht einzuschalten.

Die Wissenschaftler können die neue 3-D " Lichtschalter " verwenden, um besser zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert . Es könnte eines Tages auch zur Neuroprothesen , die Bedingungen zu behandeln könnte , wie die Parkinson-Krankheit zu schaffen und Epilepsie . Die Forscher beschreiben ihre Geräte in einem Papier in (OSA) Zeitschrift der Optical Society veröffentlicht Optics Letters .

Die Technik der Manipulation von Neuronen mit Licht ist nur ein paar Jahre alt, aber die Autoren davon aus, dass Tausende von Wissenschaftlern sind bereits mit dieser Technologie , die so genannte Optogenetik , um das Gehirn zu studieren. In Optogenetik , Forscher zunächst sensibilisieren markieren Sie die Zellen im Gehirn zu einer bestimmten Farbe des Lichts. Dann kann durch Beleuchtung bestimmte Bereiche des Gehirns , sind sie in der Lage, selektiv zu aktivieren oder deaktivieren , die einzelnen Neuronen, die sensibilisiert wurden .

Ed Boyden , ein synthetisches Biologe am MIT und Co- Forschungsleiter auf dem Papier , ist ein Pionier dieser neuen Gebiet , das er sagt, bietet die Möglichkeit, Verbindungen im Gehirn zu untersuchen.

Boyden sagt: " Sie können die neuronale Aktivität im Gehirn, die mit spezifischen Verhaltensweisen zugeordnet ist, finden Sie unter" ", aber ist es wichtig? Oder ist es eine passive Kopie wichtige Aktivität an anderer Stelle im Gehirn ? Es gibt keine Möglichkeit , sicher zu wissen , wenn Sie nur zuschauen . " Optogenetik können Wissenschaftler , eine aktivere Rolle bei der Untersuchung des Gehirns Verbindungen spielen, starten Sie einen Zelltyp oder deaktivieren eine andere und dann beobachten Sie die Auswirkungen auf Verhalten, wie Beruhigung einen Anfall .

Im Gegensatz zu den früheren , 1- D Versionen dieses Licht-emittierende Vorrichtung , liefert das neue Werkzeug Licht in das Gehirn in drei Dimensionen , das Öffnen der Potential gesamten Schaltungen innerhalb des Gehirns zu erforschen. Bisher hat die 3-D -Version in Mäusen getestet worden, obwohl Boyden und seine Kollegen haben bereits optogenetischen Technologien mit nicht-menschlichen Primaten zum Einsatz.

Targeting Neuronen mit Licht

Einer der Vorteile der Optogenetik ist , dass diese Technologie erlaubt es Wissenschaftlern auf eine bestimmte Art von Neuron ohne Auswirkungen auf andere Arten von Neuronen in dem gleichen Bereich des Cortex konzentrieren. Sonden , die Strom an das Gehirn liefern kann Neuronen zu manipulieren , aber sie zielen können einzelne Arten der Zelle , sagt Boyden . Drogen können Neuronen ein oder aus und er fährt fort , aber nicht auf einem solchen schnellen Zeitskala oder mit einem so hohen Grad an Kontrolle einschalten, . Im Gegensatz dazu ist die neue 3- D-Anordnung präzise genug, um eine einzige Art von Neuron zu aktivieren, an einer genauen Stelle mit einem einzigen Lichtstrahl.

In einer früheren Inkarnation , sah Boyden -Gerät wie eine Nadel dünne Sonde mit Leucht Häfen entlang ihrer Länge ; Dieses Setup erlaubt Wissenschaftlern, Neuronen entlang einer einzigen Linie zu manipulieren. Das neue Tool enthält bis zu hundert dieser Sonden in einem quadratischen Raster , die das Gerät aus wie eine Reihe von feinen Zähnen Kämme einander mit ihren Zähnen in die gleiche Richtung verlegt nächsten macht .

Jede Sonde ist etwa 150 Mikrometer auf - ein wenig dicker als ein menschliches Haar , und dünn genug, so dass die Vorrichtung bei jeder Tiefe in der Rinde , ohne es zu beschädigen , implantiert werden. Das Gehirn fehlt Schmerzrezeptoren , so dass die Implantate sich nicht unwohl fühlen , um das Gehirn selbst verursachen. Wie in dem früheren Modell werden mehrere lichtemittierende Öffnungen entlang der Länge jeder Sonde befindet . Wissenschaftler können beleuchten und ändern Sie die Farbe der einzelnen Licht Port unabhängig von den anderen .

Hinzufügen einer dritten Dimension , Licht - Delivery-Fähigkeiten der Sonde konnten die Forscher um jede Lichtmuster sie wollen innerhalb des Volumens eines Kubikzentimeter des Hirngewebes zu machen, mit ein paar hundert unabhängig steuerbaren Beleuchtungspunkte .

"Es erweist sich als sehr leistungsfähiges und komfortables Werkzeug ", sagt MIT-Professor der Elektrotechnik Clifton Fonstad , Co-Lead- Autor des Papiers .

Blau für auf , gelb für off

Nervenzellen im Gehirn nicht natürlich auf Licht anspricht , so Wissenschaftler sensibilisieren diese Zellen mit Molekülen namens Opsinen , lichtdetektierenden Proteine ​​natürlicherweise in Algen und Bakterien gefunden. Gene, die für ein Opsin den Neuronen in einer Mausgehirn mit Gentherapie, ein Verfahren , bei dem DNA in eine Zelle über einen Träger übergesetzt , wie einem unschädlichen Virus transferiert. Der Träger kann angewiesen werden, das DNA -Paket nur an bestimmte Zelltypen zu liefern.

Verschiedenen Farben des Lichts drehen verschiedenen Geschmacksrichtungen von Opsin auf - blau könnte man Opsin verursachen , um eine Zelle zu aktivieren, während gelbe könnte eine weitere Opsin , es zum Schweigen zu verursachen. Neuronen, die mit Opsinen sensibilisiert sind diese Fähigkeiten zu gewinnen , um auf Licht reagieren.

Die Antwort eines einzelnen neuron- ob ein- oder auszuschalten - abhängig von der Art des Opsin es mit sensibilisiert, und die Farbe des Lichts verwendet , um sie zu beleuchten. Auf diese Weise gibt das Tool Neurowissenschaftler ein beispielloses Maß an Kontrolle über die einzelnen Nervenzellen im Gehirn .

Teams aus der ganzen Welt sind zur Zeit als die von Boyden -Gruppe entwickelte Technologie , um einige der tiefsten Fragen zu untersuchen Neurowissenschaften versucht, zu beantworten, wie wie das Gedächtnis funktioniert , die Verbindungen zwischen Erinnerung und Emotion, und der Unterschied zwischen Wachsein und man schläft .

"Ich bin wirklich begeistert , wie das Gehirn berechnet - die Ebbe und Flut des Bewusstseins ", sagt Boyden . "Wir wissen so wenig über das Gehirn. "

Ein besseres Verständnis des Gehirns zu einem anderen Vorteil dieser Technologie führen : Therapie. Wenn eine bestimmte Art von Zellfunktionsstörungenin einer bestimmten Krankheit , können die Wissenschaftler in der Lage, eine modifizierte 3D- Array als eine Neuroprothese , die dazu beitragen könnten, neurologischen Erkrankungen zu behandeln, zu verwenden. Mit Licht überaktiven Zellen aus Brenn stoppen könnte die unkontrollierbare Muskeltätigkeit der Parkinson-Krankheit zu lindern. Zellen, die Anfälle im Gehirn führen kann optisch ohne die Nebenwirkungen von Anti- Anfall Medikamente beruhigt werden. Implantate, die zu hören Mängel abstellen werden auch mit dieser Technologie erforscht.

Obwohl das neue Gerät wirksam bringen Licht in das Gehirn ist , bleiben weitere Herausforderungen bevor Optogenetik können für die medizinische Therapie eingesetzt werden , sagt Boyden . Wissenschaftler wissen noch nicht genau wissen , ob der Körper die Opsin -Proteine ​​als Fremdmoleküle erkennen und diesen zurückweisen. Gentherapie wird auch ausreichend bewährt , wenn Neuronen mit Opsin wirksam sensibilisiert werden.

"Es ist ein langer Weg ", Boyden zugibt .

Inzwischen fährt er fort, ist die Nachfrage nach dem Werkzeug noch höher als sein Team liefern kann . Boyden sagt seine Gruppe freut sich über die Möglichkeit der Kommerzialisierung der neuen 3-D -Array als einen möglichen Weg , die die Geräte auch so schnell wie auf die Neurowissenschaften ermöglichen würde .