stringtranslate.com

Оптогенетика

Оптогенетика — это биологическая технология управления активностью нейронов или других типов клеток с помощью света. Это достигается путем экспрессии светочувствительных ионных каналов , насосов или ферментов, в частности, в целевых клетках. На уровне отдельных клеток активируемые светом ферменты и факторы транскрипции позволяют точно контролировать биохимические сигнальные пути. [1] В системной нейронауке способность контролировать активность генетически определенного набора нейронов использовалась для понимания их вклада в принятие решений, [2] обучение, [3] память о страхе, [4] спаривание, [5] зависимость, [6] питание, [7] и передвижение. [8] В первом медицинском применении оптогенетической технологии зрение было частично восстановлено у слепого пациента с пигментным ретинитом . [9]

Оптогенетические методы также были введены для картирования функциональных связей мозга . [10] [11] Изменяя активность генетически маркированных нейронов с помощью света и используя методы визуализации и электрофизиологии для регистрации активности других клеток, исследователи могут определять статистические зависимости между клетками и областями мозга. [12] [13]

В более широком смысле область оптогенетики также включает в себя методы регистрации клеточной активности с помощью генетически кодируемых индикаторов .

В 2010 году оптогенетика была выбрана «Методом года» во всех областях науки и техники междисциплинарным исследовательским журналом Nature Methods . [14] В том же году статья «Прорывы десятилетия» в академическом исследовательском журнале Science была посвящена оптогенетике. [15] [16] [17]

История

В 1979 году Фрэнсис Крик предположил, что контроль всех клеток одного типа в мозге, оставляя другие более или менее неизменными, является настоящим вызовом для нейронауки. Крик предположил, что технология, использующая свет, может быть полезна для контроля нейронной активности с временной и пространственной точностью, но в то время не было техники, которая заставила бы нейроны реагировать на свет.

К началу 1990-х годов Л. К. Кац и Э. Каллауэй показали, что свет может высвобождать глутамат. [18] Хеберле и Бюлдт в 1994 году уже продемонстрировали функциональную гетерологичную экспрессию бактериородопсина для активируемого светом потока ионов в дрожжах. [19]

В 1995 году Георг Нагель и др., а также Эрнст Бамберг попытались осуществить гетерологичную экспрессию микробных родопсинов (также бактериородопсина, а также в не нервной системе, ооцитах Xenopus) (Georg Nagel et al., 1995, FEBS Lett.) и продемонстрировали светоиндуцированный ток.

Самый ранний генетически направленный метод, который использовал свет для управления родопсино-сенсибилизированными нейронами, был описан в январе 2002 года Борисом Земельманом и Геро Мизенбёком , которые использовали культивируемые родопсином нейроны млекопитающих Drosophila . [20] В 2003 году Земельман и Мизенбёк разработали второй метод светозависимой активации нейронов, в котором отдельные ионотропные каналы TRPV1, TRPM8 и P2X2 были открыты фотоклеточными лигандами в ответ на свет. [21] Начиная с 2004 года, группы Крамера и Исакова разработали органические фотопереключатели или «обратимо клеточные» соединения в сотрудничестве с группой Траунера , которые могли взаимодействовать с генетически введенными ионными каналами. [22] [23] Методология TRPV1, хотя и без триггера освещения, впоследствии использовалась несколькими лабораториями для изменения питания, передвижения и поведенческой устойчивости у лабораторных животных. [24] [25] [26] Однако подходы, основанные на свете, для изменения нейронной активности не применялись за пределами оригинальных лабораторий, вероятно, потому, что вскоре после этого был клонирован более простой в использовании каналородопсин. [27]

Питер Хегеманн , изучая реакцию зеленых водорослей на свет в Университете Регенсбурга, обнаружил фототоки, которые были слишком быстрыми, чтобы их можно было объяснить классическими родопсинами животных , связанными с g-белком . [28] Объединившись с электрофизиологом Георгом Нагелем из Института Макса Планка во Франкфурте, они смогли продемонстрировать, что один ген из водоросли Chlamydomonas производил большие фототоки при экспрессии в ооците лягушки. [29] Чтобы идентифицировать экспрессирующие клетки, они заменили цитоплазматический хвост белка водоросли флуоресцентным белком YFP , создав первый общеприменимый оптогенетический инструмент. [27] В статье 2003 года они заявили, что «экспрессия ChR2 в ооцитах или клетках млекопитающих может быть использована как мощный инструмент для увеличения концентрации цитоплазматического Ca 2+ или для деполяризации клеточной мембраны просто путем освещения».

Карл Дейссерот из биоинженерного факультета Стэнфордского университета опубликовал страницы блокнота с начала июля 2004 года своего первоначального эксперимента, показывающего активацию светом нейронов, экспрессирующих каналородопсин. [30] В августе 2005 года сотрудники его лаборатории, включая аспирантов Эда Бойдена и Фэн Чжана , в сотрудничестве с Георгом Нагелем опубликовали первую демонстрацию однокомпонентной оптогенетической системы в нейронах [31] с использованием мутанта каналородопсин-2(H134R)-eYFP от Георга Нагеля, который является первым мутантом каналородопсин-2 с момента его функциональной характеристики Георгом Нагелем и Хегеманном. [27]

Чжуо-Хуа Пан из Университета Уэйна , исследуя восстановление зрения при слепоте, опробовал каналодопсина в ганглиозных клетках — нейронах в глазах человека, которые напрямую связаны с мозгом. Первое наблюдение Пана за оптической активацией нейронов сетчатки с помощью каналодопсина было в феврале 2004 года, согласно Пану, [32] за пять месяцев до первоначального наблюдения Дейссерота в июле 2004 года. [33] Действительно, трансфицированные нейроны стали электрически активными в ответ на свет, и в 2005 году Чжуо-Хуа Пан сообщил об успешной трансфекции каналодопсина in vivo в ганглиозные клетки сетчатки мышей и об электрических реакциях на фотостимуляцию в культуре срезов сетчатки. [34] Этот подход в конечном итоге был реализован на пациенте-человеке Ботондом Роской и его коллегами в 2021 году. [9]

В апреле 2005 года Сусана Лима и Мизенбёк сообщили о первом использовании генетически направленной фотостимуляции P2X2 для управления поведением животного. [35] Они показали, что фотостимуляция генетически ограниченных групп нейронов, таких как нейроны дофаминергической системы, вызывала характерные поведенческие изменения у плодовых мушек.

В октябре 2005 года Линн Ландмессер и Стефан Херлитце также опубликовали данные об использовании каналоходпсина-2 для контроля нейронной активности в культивируемых нейронах гиппокампа и спинномозговых цепях цыпленка в неповрежденных развивающихся эмбрионах. [36] Кроме того, они впервые представили родопсин позвоночных, активируемый светом рецептор, связанный с G-белком, в качестве инструмента для подавления нейронной активности посредством привлечения внутриклеточных сигнальных путей также в нейронах гиппокампа и неповрежденном развивающемся эмбрионе цыпленка. [36]

Группы Александра Готтшалка и Георга Нагеля создали первый мутант ChR2 (H134R) и первыми использовали каналородопсин-2 для контроля нейронной активности у интактного животного, показав, что двигательные паттерны у круглого червя C. elegans могут быть вызваны световой стимуляцией генетически отобранных нейронных цепей (опубликовано в декабре 2005 г.). [37] У мышей контролируемая экспрессия оптогенетических инструментов часто достигается с помощью методов Cre/loxP, специфичных для типа клеток, разработанных для нейробиологии Джо З. Циеном еще в 1990-х годах [38] для активации или ингибирования определенных областей мозга и типов клеток in vivo . [39]

В 2007 году лаборатории Бойдена и Дейссерота (совместно с группами Готтшалка и Георга Нагеля) одновременно сообщили об успешном оптогенетическом ингибировании активности нейронов. [40] [41]

В 2007 году группы Георга Нагеля и Хегеманна начали оптогенетические манипуляции цАМФ. [42] В 2014 году Авелар и др. сообщили о первом гене родопсин-гуанилилциклазы из грибка. В 2015 году Шайб и др. и Гао и др. охарактеризовали активность гена родопсин-гуанилилциклазы. А Шицян Гао и др. и Георг Нагель, Александр Готтшалк идентифицировали его как первый 8-ТМ родопсин. [43]

Описание

Рис. 1. Каналеродопсин-2 (ChR2) вызывает точную по времени активность, вызванную синим светом, в прелимбических префронтальных кортикальных нейронах крысы. a) Схема in vitro (слева), демонстрирующая доставку синего света и целоклеточную патч-кламп-запись вызванной светом активности от флуоресцентного пирамидального нейрона, экспрессирующего CaMKllα::ChR2-EYFP (справа) в остром срезе мозга. b) Схема in vivo (слева), демонстрирующая доставку синего света (473 нм) и одноблочную запись. (внизу слева) Коронарный срез мозга, демонстрирующий экспрессию CaMKllα::ChR2-EYFP в прелимбической области. Голубая стрелка показывает кончик оптического волокна; черная стрелка показывает кончик регистрирующего электрода (слева). Белая полоса, 100  мкм . (внизу справа) In vivo световая запись префронтального кортикального нейрона у трансдуцированной крысы CaMKllα::ChR2-EYFP, показывающая вызванные светом спайки при подаче синих световых импульсов частотой 20 Гц (справа). Вставка, репрезентативный вызванный светом единичный ответ. [44]
Рис . 2. Галородопсин (NpHR) быстро и обратимо подавляет спонтанную активность in vivo в прелимбической префронтальной коре крысы. (Вверху слева) Схема, показывающая in vivo доставку зеленого (532 нм) света и одноблочную запись спонтанно активного пирамидального нейрона, экспрессирующего CaMKllα::eNpHR3.0-EYFP. (Справа) Пример трассировки, показывающий, что непрерывное освещение 532 нм подавляет одноблочную активность in vivo . Вставка, репрезентативное одноблочное событие; зеленая полоса, 10 секунд. [44]
Нематода, экспрессирующая светочувствительный ионный канал Mac. Mac — это протонный насос, первоначально выделенный в грибке Leptosphaeria maculans , а теперь экспрессируемый в мышечных клетках C. elegans , который открывается в ответ на зеленый свет и вызывает гиперполяризационное торможение. Следует отметить увеличение длины тела, которому подвергается червь каждый раз, когда он подвергается воздействию зеленого света, что предположительно вызвано мышечно-релаксирующим эффектом Mac. [45]
Нематода, экспрессирующая ChR2 в своей группе губернакулярно-косых мышц, реагирует на стимуляцию синим светом. Стимуляция синим светом заставляет губернакулярно-косые мышцы многократно сокращаться, вызывая повторяющиеся толчки спикулы , как это можно было бы наблюдать естественным образом во время копуляции. [46]

Оптогенетика обеспечивает временную точность в миллисекундном масштабе, что позволяет экспериментатору идти в ногу с быстрой биологической обработкой информации (например, при исследовании причинной роли конкретных моделей потенциала действия в определенных нейронах). Действительно, для исследования нейронного кода оптогенетика по определению должна работать в миллисекундном масштабе времени, чтобы позволить добавлять или удалять точные модели активности в определенных клетках мозга интактных животных, включая млекопитающих (см. Рисунок 1) . Для сравнения, временная точность традиционных генетических манипуляций (используемых для исследования причинной роли конкретных генов в клетках посредством изменений «потери функции» или «приобретения функции» в этих генах) довольно медленная, от часов или дней до месяцев. Также важно иметь быстрые считывания в оптогенетике, которые могут идти в ногу с оптическим контролем. Это можно сделать с помощью электрических записей («оптродов») или репортерных белков, которые являются биосенсорами , где ученые слили флуоресцентные белки с детекторными белками. Кроме того, помимо своего научного воздействия, оптогенетика представляет собой важный пример как с точки зрения ценности охраны окружающей среды (поскольку многие из ключевых инструментов оптогенетики возникают из микробных организмов, занимающих специализированные экологические ниши), так и с точки зрения важности чистой фундаментальной науки, поскольку эти опсины изучались в течение десятилетий биофизиками и микробиологами ради них самих, без учета их потенциальной ценности в предоставлении информации о нейронауке и нейропсихиатрических заболеваниях. [47]

Активируемые светом белки: каналы, насосы и ферменты

Поэтому отличительной чертой оптогенетики является введение быстро активируемых светом каналов, насосов и ферментов, которые позволяют осуществлять точную временную манипуляцию электрическими и биохимическими событиями, сохраняя при этом разрешение типа клетки с помощью специфических механизмов нацеливания. Среди микробных опсинов, которые могут быть использованы для исследования функции нейронных систем, есть каналодопсины (ChR2, ChR1, VChR1 и SFO) для возбуждения нейронов и анионопроводящие каналодопсины для ингибирования светом. Недавно были разработаны косвенно контролируемые светом калиевые каналы для предотвращения генерации потенциала действия в нейронах во время освещения синим светом. [48] ​​[49] Светоуправляемые ионные насосы также используются для ингибирования нейронной активности, например, галородопсин (NpHR), [50] усиленные галородопсины (eNpHR2.0 и eNpHR3.0, см. Рисунок 2), [51] архаеродопсин (Arch), грибковые опсины (Mac) и усиленный бактериородопсин (eBR). [52]

Оптогенетический контроль четко определенных биохимических событий в поведении млекопитающих теперь также возможен. Основываясь на предыдущей работе по слиянию опсинов позвоночных со специфическими рецепторами, сопряженными с G-белком [53], было создано семейство химерных однокомпонентных оптогенетических инструментов, которые позволили исследователям манипулировать внутри поведенческих млекопитающих концентрацией определенных внутриклеточных мессенджеров, таких как цАМФ и IP3, в целевых клетках. [54] Другие биохимические подходы к оптогенетике (что особенно важно, с инструментами, которые проявляли низкую активность в темноте) последовали вскоре после этого, когда оптический контроль над малыми ГТФазами и аденилатциклазой был достигнут в культивируемых клетках с использованием новых стратегий из нескольких разных лабораторий. [55] [56] [57] Фотоактивируемые аденилатциклазы были обнаружены в грибах и успешно использовались для контроля уровней цАМФ в нейронах млекопитающих. [58] [59] Этот развивающийся репертуар оптогенетических приводов теперь позволяет осуществлять специфичный для типа клеток и точный во времени контроль множественных осей клеточной функции у интактных животных. [60]

Оборудование для легкого применения

Другим необходимым фактором является аппаратное обеспечение (например, интегрированные волоконно-оптические и твердотельные источники света), позволяющее контролировать определенные типы клеток, даже глубоко в мозге, у свободно ведущих себя животных. Чаще всего последнее теперь достигается с помощью технологии волоконно-оптических диодов, представленной в 2007 году, [61] [62] [63] хотя, чтобы избежать использования имплантированных электродов, исследователи разработали способы вписать «окно» из циркония, которое было модифицировано, чтобы быть прозрачным, и имплантировано в черепа мышей, чтобы позволить оптическим волнам проникать глубже, чтобы стимулировать или подавлять отдельные нейроны. [64] Для стимуляции поверхностных областей мозга, таких как кора головного мозга, оптические волокна или светодиоды могут быть непосредственно установлены на черепе животного. Более глубоко имплантированные оптические волокна использовались для доставки света в более глубокие области мозга. [65] В дополнение к подходам с волоконно-оптической связью были разработаны полностью беспроводные методы, использующие беспроводную подачу питания на светодиоды, размещенные на голове, для беспрепятственного изучения сложного поведения свободно ведущих себя организмов. [66]

Экспрессия оптогенетических актуаторов

Оптогенетика также обязательно включает разработку стратегий генетического нацеливания, таких как клеточно-специфичные промоторы или другие индивидуальные условно-активные вирусы, для доставки светочувствительных зондов к определенным популяциям нейронов в мозге живых животных (например, червей, плодовых мушек, мышей, крыс и обезьян). У беспозвоночных, таких как черви и плодовые мушки, некоторое количество полностью транс-ретиналя (ATR) добавляется с пищей. Ключевым преимуществом микробных опсинов, как отмечено выше, является то, что они полностью функциональны без добавления экзогенных кофакторов у позвоночных. [63]

Техника

Три основных компонента в применении оптогенетики следующие: (A) Идентификация или синтез светочувствительного белка (опсина), такого как каналородопсин-2 (ChR2), галородопсин (NpHR) и т. д. (B) Разработка системы для введения генетического материала, содержащего опсин, в клетки для экспрессии белка, например, применение рекомбиназы Cre или аденоассоциированного вируса (C) применение светоизлучающих приборов. [67]

Методика использования оптогенетики гибка и легко адаптируется к потребностям экспериментатора. Катион-селективные каналородопсины (например, ChR2) используются для возбуждения нейронов, анион-проводящие каналородопсины (например, GtACR2) ингибируют нейронную активность. Объединение этих инструментов в одну конструкцию (например, BiPOLES) позволяет осуществлять как ингибирование, так и возбуждение в зависимости от длины волны освещения. [68]

Введение микробного опсина в определенное подмножество клеток является сложной задачей. Популярный подход заключается во введении сконструированного вирусного вектора, который содержит ген оптогенетических активаторов, прикрепленный к определенному промотору, такому как CAMKIIα , который активен в возбуждающих нейронах. Это позволяет достичь определенного уровня специфичности, предотвращая, например, экспрессию в глиальных клетках. [69]

Более конкретный подход основан на трансгенных мышах-"драйверах", которые экспрессируют Cre-рекомбиназу , фермент, катализирующий рекомбинацию между двумя сайтами lox-P, в определенном подмножестве клеток, например, в интернейронах , экспрессирующих парвальбумин . Вводя сконструированный вирусный вектор, содержащий ген оптогенетических актуаторов, между двумя сайтами lox-P, только клетки, продуцирующие Cre-рекомбиназу, будут экспрессировать микробный опсин. Эта техника позволила использовать несколько модифицированных оптогенетических актуаторов без необходимости создания целой линии трансгенных животных каждый раз, когда требуется новый микробный опсин. [70]

После введения и экспрессии микробного опсина, управляемый компьютером источник света должен быть оптически связан с рассматриваемой областью мозга. Часто используются светодиоды (LED) или твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSS) с волоконной связью. Последние достижения включают появление беспроводных устройств, устанавливаемых на голове, которые направляют светодиоды на целевые области и, как следствие, дают животным больше свободы для перемещения. [71] [72]

Подходы на основе волокон также могут использоваться для объединения оптической стимуляции и визуализации кальция . [65] Это позволяет исследователям визуализировать и манипулировать активностью отдельных нейронов у бодрствующих животных. [73] Также возможно производить запись из нескольких глубоких областей мозга одновременно, используя линзы GRIN, подключенные через оптоволокно к внешне расположенному фотодетектору и фотостимулятору. [74] [75]

Технические проблемы

Избирательное выражение

Одной из главных проблем оптогенетики является то, что не все рассматриваемые клетки могут экспрессировать ген микробного опсина на одинаковом уровне. Таким образом, даже освещение с определенной интенсивностью света будет иметь различные эффекты на отдельные клетки. Оптогенетическая стимуляция нейронов в мозге еще меньше контролируется, поскольку интенсивность света падает экспоненциально от источника света (например, имплантированного оптического волокна).

Остается сложным нацелить опсин на определенные субклеточные компартменты, например, плазматическую мембрану, синаптические пузырьки или митохондрии. [51] [76] Ограничение опсина определенными областями плазматической мембраны, такими как дендриты , сомы или окончания аксонов, обеспечивает более надежное понимание нейронной схемы. [76]

Математическое моделирование показывает, что селективная экспрессия опсина в определенных типах клеток может кардинально изменить динамическое поведение нейронной схемы. В частности, оптогенетическая стимуляция, которая преимущественно нацелена на ингибирующие клетки, может трансформировать возбудимость нервной ткани, влияя также и на нетрансфицированные нейроны. [77]

Кинетика и синхронизация

Первоначальный каналородопсин-2 закрывался медленнее, чем типичные катионные каналы корковых нейронов, что приводило к длительной деполяризации и притоку кальция. [78] С тех пор было разработано много вариантов каналородопсин с более благоприятной кинетикой. [55] [56]

Разница между естественными паттернами спайков и оптогенетической активацией заключается в том, что импульсная световая стимуляция вызывает синхронную активацию экспрессирующих нейронов, что исключает возможность последовательной активности в стимулированной популяции. Поэтому трудно понять, как клетки в затронутой популяции взаимодействуют друг с другом или как их фазовые свойства активации связаны с функцией цепи.

Оптогенетическая активация была объединена с функциональной магнитно-резонансной томографией (МРТ) для выяснения коннектома , подробной карты нейронных связей мозга. [76] [79] Точно рассчитанная по времени оптогенетическая активация используется для калибровки задержанного гемодинамического сигнала ( BOLD ), на котором основана фМРТ.

Спектр поглощения света

Белки опсина, которые в настоящее время используются, имеют пики поглощения по всему визуальному спектру, но остаются значительно чувствительными к синему свету. [76] Это спектральное перекрытие делает очень сложным объединение активации опсина с генетически кодируемыми индикаторами ( GEVIs , GECIs , GluSnFR , synapto-pHluorin ), большинство из которых требуют возбуждения синим светом. Опсины с инфракрасной активацией при стандартном значении освещенности увеличивают проникновение света и повышают разрешение за счет уменьшения рассеивания света.

Пространственная реакция

Из-за рассеивания узкий световой луч, стимулирующий нейроны в участке нервной ткани, может вызвать профиль ответа, который намного шире, чем стимулирующий луч. [80] В этом случае нейроны могут быть активированы (или подавлены) непреднамеренно. Инструменты вычислительного моделирования [81] [82] используются для оценки объема стимулированной ткани для различных длин волн света.

Приложения

Область оптогенетики способствовала фундаментальному научному пониманию того, как определенные типы клеток вносят вклад в функцию биологических тканей, таких как нейронные цепи in vivo . С клинической стороны, исследования, основанные на оптогенетике, привели к пониманию восстановления с помощью света[1], [83] болезни Паркинсона [84] [85] и других неврологических и психиатрических расстройств, таких как аутизм , шизофрения , наркомания , тревожность и депрессия . [52] [86] [87] [88] Экспериментальное лечение слепоты включает канал родопсина, экспрессируемый в ганглиозных клетках , стимулируемый световыми узорами от сконструированных очков. [89] [9]

Идентификация отдельных нейронов и сетей

Миндалевидное тело

Оптогенетические подходы использовались для картирования нейронных цепей в миндалевидном теле , которые способствуют формированию условно-рефлекторного страха . [90] [91] [92] [93] Одним из таких примеров нейронной цепи является связь, установленная между базолатеральной миндалевидной железой и дорсально-медиальной префронтальной корой, где нейронные колебания частотой 4 Гц наблюдались в корреляции с вызванным страхом замиранием у мышей. Трансгенным мышам вводили каналородопозин-2, прикрепленный к промотору парвальбумина -Cre, который избирательно инфицировал интернейроны, расположенные как в базолатеральной миндалевидной железе, так и в дорсально-медиальной префронтальной коре, ответственные за колебания частотой 4 Гц. Интернейроны были оптически стимулированы, вызывая поведение замирания, и в результате были получены доказательства того, что эти колебания частотой 4 Гц могут быть ответственны за базовую реакцию страха, производимую популяциями нейронов вдоль дорсально-медиальной префронтальной коры и базолатеральной миндалевидной железы. [94]

Обонятельная луковица

Оптогенетическая активация обонятельных сенсорных нейронов имела решающее значение для демонстрации синхронизации в обработке запахов [95] и для механизма нейромодуляторно опосредованного обонятельного поведения (например, агрессия , спаривание ) [96] Кроме того, с помощью оптогенетики были воспроизведены доказательства, показывающие, что «остаточный образ» запахов концентрируется более центрально вокруг обонятельной луковицы, а не на периферии, где могли бы располагаться обонятельные рецепторные нейроны. Трансгенных мышей, инфицированных канальным родопсином Thy1-ChR2, стимулировали лазером с длиной волны 473 нм, транскраниально расположенным над дорсальной частью обонятельной луковицы. Более длительная фотостимуляция митральных клеток в обонятельной луковице привела к наблюдениям более длительной нейронной активности в этой области после прекращения фотостимуляции, что означает, что обонятельная сенсорная система способна претерпевать долгосрочные изменения и распознавать различия между старыми и новыми запахами. [97]

Прилежащее ядро

Оптогенетика, свободное поведение млекопитающих, электрофизиология in vivo и срезовая физиология были интегрированы для исследования холинергических интернейронов прилежащего ядра путем прямого возбуждения или торможения. Несмотря на то, что они составляют менее 1% от общей популяции аккумбальных нейронов, эти холинергические клетки способны контролировать активность дофаминергических окончаний, которые иннервируют средние шипиковые нейроны (MSN) в прилежащем ядре. [98] Известно, что эти аккумбальные MSN участвуют в нейронном пути , через который кокаин оказывает свое действие, поскольку было показано, что уменьшение вызванных кокаином изменений в активности этих нейронов подавляет кокаиновое обусловливание . Несколько холинергических нейронов, присутствующих в прилежащем ядре, могут оказаться жизнеспособными целями для фармакотерапии при лечении кокаиновой зависимости [52]

Префронтальная кора

Клетки для крыс, оснащенные оптогенетическими светодиодными коммутаторами, которые позволяют изучать поведение животных in vivo во время оптогенетических стимуляций.

Записи in vivo и in vitro из Университета Колорадо, Боулдерской оптофизиологической лаборатории Дональда С. Купера, доктора философии, показывают отдельные пирамидальные нейроны CAMKII AAV-ChR2 в префронтальной коре, которые демонстрируют высокоточный выходной потенциал действия с короткими импульсами синего света с частотой 20 Гц ( рисунок 1 ). [44]

Двигательная кора

In vivo повторная оптогенетическая стимуляция у здоровых животных в конечном итоге могла вызвать судороги. [99] Эта модель была названа оптокиндлингом.

грушевидная кора

In vivo повторная оптогенетическая стимуляция пирамидальных клеток грушевидной коры у здоровых животных в конечном итоге могла вызвать судороги. [100] Исследования in vitro выявили потерю ингибирования обратной связи в грушевидной цепи из-за нарушения синтеза ГАМК. [100]

Сердце

Оптогенетика была применена к предсердным кардиомиоцитам для прекращения спирально-волновых аритмий , которые, как было обнаружено, возникают при мерцательной аритмии , с помощью света. [101] Этот метод все еще находится в стадии разработки. Недавнее исследование изучало возможности оптогенетики как метода коррекции аритмий и ресинхронизации сердечной стимуляции. Исследование вводило каналородопсин-2 в кардиомиоциты в желудочковых областях сердец трансгенных мышей и проводило in vitro исследования фотостимуляции как на мышах с открытой, так и на закрытой полостях. Фотостимуляция приводила к повышенной активации клеток и, таким образом, к увеличению сокращений желудочков, что приводило к увеличению частоты сердечных сокращений. Кроме того, этот подход был применен в сердечной ресинхронизирующей терапии ( CRT ) в качестве нового биологического кардиостимулятора в качестве замены электродной CRT. [102] В последнее время оптогенетика используется в сердце для дефибрилляции желудочковых аритмий с помощью локального эпикардиального освещения [103] , общего освещения всего сердца [104] или с помощью индивидуальных схем стимуляции, основанных на аритмогенных механизмах, с целью снижения энергии дефибрилляции. [105]

Спиральный ганглий

Оптогенетическая стимуляция спирального ганглия у глухих мышей восстановила слуховую активность. [106] Оптогенетическое применение в области улитки позволяет стимулировать или ингибировать клетки спирального ганглия (SGN). Кроме того, из-за характеристик потенциалов покоя SGN были использованы различные варианты белкового канала родопсина-2, такие как Chronos, [107] CatCh и f-Chrimson. [108] Варианты Chronos и CatCh особенно полезны тем, что они меньше времени проводят в своих деактивированных состояниях, что позволяет проявлять большую активность при меньшем количестве вспышек испускаемого синего света. Кроме того, использование сконструированных каналов с красным смещением, таких как f-Chrimson, позволяет проводить стимуляцию с использованием более длинных волн, что снижает потенциальные риски фототоксичности в долгосрочной перспективе без ущерба для скорости стробирования. [109] В результате светодиод, излучающий свет, будет потреблять меньше энергии, и идея кохлеарного протезирования в сочетании с фотостимуляцией станет более осуществимой. [110]

Мозговой ствол

Оптогенетическая стимуляция модифицированного возбуждаемого красным светом каналородопсин (ReaChR), экспрессируемого в двигательном ядре лица, позволила минимально инвазивно активировать мотонейроны , эффективные в управлении движениями усов у мышей. [111] В одном новом исследовании оптогенетика использовалась на дорсальном ядре шва как для активации, так и для ингибирования дофаминергического высвобождения в вентральную область покрышки. Для активации трансгенные мыши были инфицированы каналородопсином-2 с промотором TH-Cre, а для ингибирования гиперполяризующий опсин NpHR был добавлен к промотору TH-Cre. Результаты показали, что оптическая активация дофаминергических нейронов привела к увеличению социальных взаимодействий, а их ингибирование снизило потребность в социализации только после периода изоляции. [112]

Зрительная система

Изучение зрительной системы с использованием оптогенетики может быть сложной задачей. Действительно, свет, используемый для оптогенетического контроля, может приводить к активации фоторецепторов в результате близости между первичными зрительными цепями и этими фоторецепторами. В этом случае пространственная селективность труднодостижима (особенно в случае зрительной доли мухи). Таким образом, изучение зрительной системы требует спектрального разделения с использованием каналов , которые активируются другими длинами волн света, чем родопсины внутри фоторецепторов (пик активации при 480 нм для родопсина 1 у дрозофилы ). Смещенный в красную область CsChrimson [113] или бистабильный каналродопсин [114] используются для оптогенетической активации нейронов (т. е. деполяризации ), поскольку оба допускают спектральное разделение. Для достижения нейронального глушения (т. е. гиперполяризации ) анионный каналродопсин, обнаруженный в криптофитовых водорослях вида Guillardia theta (названный GtACR1). [115] можно использовать. GtACR1 более чувствителен к свету, чем другие ингибирующие каналы, такие как класс хлоридных насосов Галородопсина, и обеспечивает сильную проводимость. Поскольку его пик активации (515 нм) близок к пику родопсина 1, необходимо тщательно калибровать оптогенетическое освещение, а также визуальный стимул. Факторами, которые следует учитывать, являются длина волны оптогенетического освещения (возможно, выше, чем пик активации GtACR1), размер стимула (чтобы избежать активации каналов стимулирующим светом) и интенсивность оптогенетического освещения. Было показано, что GtACR1 может быть полезным ингибирующим инструментом в оптогенетическом исследовании зрительной системы дрозофилы путем подавления экспрессии нейронов T4/T5. [116] Эти исследования также можно проводить на неповрежденных животных, ведущих себя, например, для исследования оптомоторной реакции .

Сенсомоторная система

Оптогенетически ингибируя или активируя нейроны, проверяют их необходимость и достаточность, соответственно, в формировании поведения. [117] Используя этот подход, исследователи могут препарировать нейронную схему, контролирующую двигательный выход. Воздействуя на нейроны в различных местах сенсомоторной системы, исследователи узнали о роли нисходящих нейронов в возникновении стереотипного поведения, [118] о том, как локализованный тактильный сенсорный вход [119] и активность интернейронов [120] изменяют локомоцию, и о роли клеток Пуркинье в формировании и модулировании движения. [121] Это мощный метод для понимания нейронных основ локомоции и движения животных в более широком смысле.

Точный временной контроль вмешательств

Доступные в настоящее время оптогенетические приводы позволяют осуществлять точный временной контроль необходимого вмешательства (то есть ингибирования или возбуждения целевых нейронов) с точностью, обычно достигающей уровня миллисекунд. [122] Однако временная точность варьируется в зависимости от оптогенетических приводов [123] и зависит от частоты и интенсивности стимуляции [80] .

Теперь можно разрабатывать эксперименты, в которых свет, используемый для вмешательства, запускается определенным элементом поведения (чтобы подавить поведение), определенным безусловным стимулом (чтобы связать что-то с этим стимулом) или определенным колебательным событием в мозге (чтобы подавить событие). [124] [125] Такой подход уже использовался в нескольких областях мозга:

Гиппокамп

Острые волны и комплексы ряби (SWR) являются отдельными высокочастотными колебательными событиями в гиппокампе, которые, как полагают, играют роль в формировании и консолидации памяти. Эти события можно легко обнаружить, отслеживая колебательные циклы онлайн-записанного локального потенциала поля . Таким образом, начало события можно использовать в качестве триггерного сигнала для вспышки света, которая направляется обратно в гиппокамп, чтобы ингибировать нейроны, особенно во время SWR, а также оптогенетически ингибировать само колебание. [126] Такого рода эксперименты «замкнутого цикла» полезны для изучения комплексов SWR и их роли в памяти.

Клеточная биология/клеточные сигнальные пути

Оптогенетический контроль клеточных сил и индукция механотрансдукции. [127] Изображенные клетки получают часовую визуализацию одновременно с синим светом, который пульсирует каждые 60 секунд. Это также указывается, когда синяя точка вспыхивает на изображении. Клетка расслабляется в течение часа без световой активации, а затем этот цикл повторяется снова. Квадратная вставка увеличивает ядро ​​клетки.

Аналогично тому, как естественные светозависимые ионные каналы, такие как каналродопсин-2, позволяют оптически контролировать поток ионов, что особенно полезно в нейробиологии, естественные светозависимые белки передачи сигнала также позволяют оптически контролировать биохимические пути, включая как генерацию вторичных мессенджеров, так и белок-белковые взаимодействия, что особенно полезно при изучении биологии клеток и развития. [128] В 2002 году был продемонстрирован первый пример использования фотопротеинов из другого организма для управления биохимическим путем с использованием светоиндуцированного взаимодействия между фитохромом растений и фактором, взаимодействующим с фитохромом (PIF), для управления транскрипцией генов у дрожжей. [1] Путем слияния фитохрома с доменом связывания ДНК, а PIF с доменом активации транскрипции, транскрипционная активация генов, распознаваемых доменом связывания ДНК, может быть вызвана светом. [1] Это исследование предвосхитило аспекты более позднего развития оптогенетики в мозге, например, предположив, что «направленная доставка света с помощью волоконной оптики имеет потенциал для нацеливания на выбранные клетки или ткани, даже внутри более крупных, более непрозрачных организмов». [1] Литература была противоречивой относительно того, следует ли включать контроль клеточной биохимии с помощью фотопротеинов в определение оптогенетики, поскольку оптогенетика в общем использовании относится конкретно к контролю нейронной активности с помощью опсинов, [129] [130] [17] [131] и поскольку контроль нейронной активности с помощью опсинов появился позже и использует механизмы, отличные от контроля клеточной биохимии с помощью фотопротеинов. [128]

Светочувствительные белки, используемые в различных сигнальных путях клеток

В дополнение к фитохромам, которые обнаружены в растениях и цианобактериях, домены LOV ( домены, чувствительные к свету, кислороду и напряжению ) из растений и дрожжей, а также домены криптохромов из растений являются другими естественными фотосенсорными доменами, которые использовались для оптического контроля биохимических путей в клетках. [132] [128] Кроме того, был разработан синтетический фотосенсорный домен из флуоресцентного белка Dronpa для оптического контроля биохимических путей. [128] В фотосенсорных доменах поглощение света либо связано с изменением белок-белковых взаимодействий (в случае фитохромов, некоторых доменов LOV, криптохромов и мутантов Dronpa), либо с конформационным изменением, которое обнажает связанный сегмент белка или изменяет активность связанного домена белка (в случае фитохромов и некоторых доменов LOV). [128] Регулируемые светом белок-белковые взаимодействия затем могут быть использованы для привлечения белков к ДНК, например, для индукции транскрипции генов или модификаций ДНК, или к плазматической мембране, например, для активации резидентных сигнальных белков. [127] [133] [134] [135] [136] [137] CRY2 также кластеризуется, когда активен, поэтому был слит с сигнальными доменами и впоследствии фотоактивирован, чтобы обеспечить активацию на основе кластеризации. [138] Домен LOV2 Avena sativa (овес посевной) использовался для экспонирования коротких пептидов или активного домена белка в зависимости от света. [139] [140] [141] Введение этого домена LOV в другой белок может регулировать функцию посредством светоиндуцированного пептидного расстройства. [142] Белок asLOV2, который оптогенетически экспонирует пептид, также использовался в качестве каркаса для нескольких синтетических систем светоиндуцированной димеризации и светоиндуцированной диссоциации (iLID и LOVTRAP соответственно). [143] [144] Системы могут использоваться для контроля белков с помощью стратегии расщепления белков. [145] Фотодиссоциируемые домены Dronpa также использовались для захвата активного центра белка в темноте, его освобождения после освещения голубым светом и восстановления после освещения фиолетовым светом. [146]

Временной контроль передачи сигнала с помощью света

Способность оптически контролировать сигналы в течение различных временных интервалов изучается для выяснения того, как сигнальные пути клеток преобразуют длительность сигнала и ответ в различные выходные данные. [147] Естественные сигнальные каскады способны реагировать различными выходными данными на различия в продолжительности и динамике стимула. [148] Например, обработка клеток PC12 эпидермальным фактором роста (EGF, вызывающим временный профиль активности ERK) приводит к клеточной пролиферации, тогда как введение фактора роста нервов (NGF, вызывающего устойчивый профиль активности ERK) приводит к дифференциации в нейроноподобные клетки. [149] Это поведение первоначально было охарактеризовано с использованием применения EGF и NGF, но открытие было частично воспроизведено с помощью оптических входов. [150] Кроме того, была обнаружена быстрая отрицательная обратная связь в пути RAF-MEK-ERK с использованием пульсирующей активации фотопереключаемого RAF, сконструированного с фотодиссоциируемыми доменами Dronpa. [146]

Оптогенетическая шумовая фотостимуляция

Исследовательская группа профессора Элиаса Манджарреса представила оптогенетическую шумовую фотостимуляцию. [151] [152] [153] Это метод, который использует случайный шумовой свет для активации нейронов, экспрессирующих ChR2. Оптимальный уровень оптогенетической шумовой фотостимуляции мозга может увеличить вызванные соматосенсорные потенциалы поля, частотную реакцию пирамидальных нейронов на соматосенсорную стимуляцию и амплитуду натриевого тока.

Награды

Мощное влияние оптогенетических технологий на исследования мозга было отмечено многочисленными наградами, присужденными ключевым специалистам в этой области.

В 2010 году Георг Нагель, Петер Хегеманн и Эрнст Бамберг были награждены премией Wiley в области биомедицинских наук [154] , а также они были среди тех, кто был удостоен премии Карла Хайнца Бекуртса в 2010 году. [155] В том же году Карл Дайссерот был награжден первой премией HFSP Nakasone Award за «его новаторскую работу по разработке оптогенетических методов для изучения функции нейронных сетей, лежащих в основе поведения». [156]

В 2012 году Бамберг, Дайссерот, Хегеманн и Георг Нагель были награждены премией Цюльха Обществом Макса Планка [157] , а Мизенбёк был удостоен премии Байе-Латура в области здравоохранения за «разработку новаторских оптогенетических подходов к управлению нейронной активностью и контролю поведения животных» [158] .

В 2013 году Георг Нагель и Хегеманн были среди тех, кто был удостоен премии Луи-Жанте по медицине . [159] Также в том же году Бамберг, Бойден, Дайссерот, Хегеманн, Мизенбёк и Георг Нагель были совместно награждены премией The Brain Prize за «изобретение и усовершенствование оптогенетики». [160] [161]

В 2017 году Дейссероту была присуждена исследовательская премия имени Эльзы Крёнер Фрезениус за «его открытия в области оптогенетики и химии гидрогелевых тканей, а также за его исследования нейронных цепей, лежащих в основе депрессии». [162]

В 2018 году Фонд Инамори вручил Дейссероту премию Киото за «возглавление оптогенетики» и «революцию в исследованиях системной нейронауки». [163]

В 2019 году Бамберг, Бойден, Дайссерот, Хегеманн, Мизенбёк и Георг Нагель были награждены премией Рамфорда Американской академией искусств и наук в знак признания «их выдающегося вклада, связанного с изобретением и совершенствованием оптогенетики». [164]

В 2020 году Дейссерот был удостоен премии Heineken в области медицины от Королевской академии искусств и наук Нидерландов за разработку оптогенетики и химии гидрогелевых тканей. [165]

В 2020 году Мизенбёк, Хегеманн и Георг Нагель совместно получили премию Шоу в области естественных наук и медицины. [166]

В 2021 году Хегеманн, Дайссерот и Дитер Эстерхельт получили премию Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования .

Ссылки

  1. ^ abcd Shimizu-Sato S, Huq E, Tepperman JM, Quail PH (октябрь 2002 г.). «Система промотора генов с возможностью переключения светом». Nature Biotechnology . 20 (10): 1041–1044. doi :10.1038/nbt734. PMID  12219076. S2CID  24914960.
  2. ^ Guo ZV, Li N, Huber D, Ophir E, Gutnisky D, Ting JT и др. (январь 2014 г.). «Поток корковой активности, лежащий в основе тактильного решения у мышей». Neuron . 81 (1): 179–194. doi :10.1016/j.neuron.2013.10.020. PMC 3984938 . PMID  24361077. 
  3. ^ Lak A, Okun M, Moss MM, Gurnani H, Farrell K, Wells MJ и др. (февраль 2020 г.). «Дофаминергическая и префронтальная основа обучения на основе сенсорной уверенности и ценности вознаграждения». Neuron . 105 (4): 700–711.e6. doi :10.1016/j.neuron.2019.11.018. PMC 7031700 . PMID  31859030. 
  4. ^ Liu X, Ramirez S, Pang PT, Puryear CB, Govindarajan A, Deisseroth K, Tonegawa S (март 2012 г.). «Оптогенетическая стимуляция энграммы гиппокампа активирует вызов памяти о страхе». Nature . 484 (7394): 381–385. Bibcode :2012Natur.484..381L. doi :10.1038/nature11028. PMC 3331914 . PMID  22441246. 
  5. ^ Танака Р., Хигучи Т., Кохацу С., Сато К., Ямамото Д. (ноябрь 2017 г.). «Оптогенетическая активация меченых бесплодных цепей у самцов Drosophila subobscura вызывает двигательные акты спаривания». Журнал нейронауки . 37 (48): 11662–11674. doi :10.1523/JNEUROSCI.1943-17.2017. PMC 6705751. PMID  29109241 . 
  6. ^ Stamatakis AM, Stuber GD (ноябрь 2012 г.). «Оптогенетические стратегии для анализа нейронных цепей, лежащих в основе вознаграждения и зависимости». Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine . 2 (11): a011924. doi :10.1101/cshperspect.a011924. PMC 3543095. PMID 23043156  . 
  7. ^ Муссо, Пьер-Ив; Джунка, Пьер; Джелен, Меган; Фельдман-Кисс, Дамиан; Чжан, Хан; Чан, Рэйчел CW; Гордон, Майкл Д. (19 июля 2019 г.). Рамасвами, Мани; Дюлак, Кэтрин (ред.). «Оптогенетическая активация периферических или центральных нейронов замкнутого цикла модулирует питание свободно движущихся дрозофил». eLife . 8 : e45636. doi : 10.7554/eLife.45636 . ISSN  2050-084X. PMC 6668987 . PMID  31322499. 
  8. ^ Фэн, Кай; Сен, Раджьяшри; Минегиши, Рё; Дюбберт, Михаэль; Бокемюль, Тилль; Бюшгес, Ансгар; Диксон, Барри Дж. (2020-12-02). «Распределенное управление двигательными цепями для ходьбы назад у дрозофилы». Nature Communications . 11 (1): 6166. Bibcode :2020NatCo..11.6166F. doi :10.1038/s41467-020-19936-x. ISSN  2041-1723. PMC 7710706 . PMID  33268800. S2CID  227255627. 
  9. ^ abc Sahel JA, Boulanger-Scemama E, Pagot C, Arleo A, Galluppi F, Martel JN и др. (Июль 2021 г.). «Частичное восстановление зрительной функции у слепого пациента после оптогенетической терапии». Nature Medicine . 27 (7): 1223–1229. doi : 10.1038/s41591-021-01351-4 . PMID  34031601.
  10. ^ Лим, Диана; ЛеДью, Джеффри; Мохаджерани, Маджид; Ванни, Матье; Мерфи, Тимоти (2013). «Оптогенетические подходы к функциональному картированию мозга мышей». Frontiers in Neuroscience . 7 : 54. doi : 10.3389/fnins.2013.00054 . ISSN  1662-453X. PMC 3622058. PMID 23596383  . 
  11. ^ Ли, Кэндис; Лавуа, Андреан; Лю, Цзяшу; Чэнь, Саймон С.; Лю, Бао-хуа (2020). «Осветите мозг: применение оптогенетики в специфической диссекции мозговых цепей мышей по типу клеток». Frontiers in Neural Circuits . 14 : 18. doi : 10.3389/fncir.2020.00018 . ISSN  1662-5110. PMC 7193678. PMID 32390806  . 
  12. ^ Франконвиль, Ромен; Берон, Селия; Джаяраман, Вивек (2018-08-20). ВиджайРагхаван, К; Скотт, Кристин; Хайнце, Стэнли (ред.). «Построение функционального коннектома центрального комплекса дрозофилы». eLife . 7 : e37017. doi : 10.7554/eLife.37017 . ISSN  2050-084X. PMC 6150698 . PMID  30124430. 
  13. ^ Чен, Ченхао; Агравал, Света; Марк, Брэндон; Мамия, Акира; Сустар, Энн; Фелпс, Джаспер С.; Ли, Вэй-Чунг Аллен; Диксон, Барри Дж.; Кард, Гвинет М.; Тутхилл, Джон К. (2021-12-06). «Функциональная архитектура нейронных цепей для проприоцепции ног у дрозофилы». Current Biology . 31 (23): 5163–5175.e7. doi :10.1016/j.cub.2021.09.035. ISSN  0960-9822. PMC 8665017 . PMID  34637749. 
  14. ^ Учебник по оптогенетике: Pastrana E (2010). «Оптогенетика: Управление функцией клеток с помощью света». Nature Methods . 8 (1): 24–25. doi :10.1038/nmeth.f.323. S2CID  5808517.
    Редакционная статья: «Метод года 2010». Nature Methods . 8 (1): 1. 2010. doi : 10.1038/nmeth.f.321 .
    Комментарий: Deisseroth K (январь 2011 г.). «Оптогенетика». Nature Methods . 8 (1): 26–29. doi :10.1038/nmeth.f.324. PMC 6814250 . PMID  21191368. 
  15. ↑ News Staff (декабрь 2010 г.). «Идеи десятилетия. Отойдя от деревьев, чтобы взглянуть на лес. Введение». Science . 330 (6011): 1612–1613. Bibcode :2010Sci...330.1612.. doi :10.1126/science.330.6011.1612. PMID  21163985. S2CID  206593135.
  16. ^ "Метод года 2010: Оптогенетика". Nature Video . 17 декабря 2010 г.
  17. ^ ab Deisseroth K (20 октября 2010 г.). «Оптогенетика: управление мозгом с помощью света». Scientific American . Springer Nature America, Inc.
  18. ^ Крик Ф. (декабрь 1999 г.). «Влияние молекулярной биологии на нейронауку». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 354 (1392): 2021–2025. doi :10.1098/rstb.1999.0541. PMC 1692710. PMID  10670022 . 
  19. ^ Хоффманн А., Хильдебрандт В., Хеберле Дж., Бюлдт Г. (сентябрь 1994 г.). «Фотоактивные митохондрии: in vivo перенос управляемого светом протонного насоса во внутреннюю митохондриальную мембрану Schizosaccharomyces pombe». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 91 (20): 9367–9371. Bibcode : 1994PNAS ...91.9367H. doi : 10.1073/pnas.91.20.9367 . PMC 44813. PMID  7937771. 
  20. ^ Zemelman BV, Lee GA, Ng M, Miesenböck G (январь 2002 г.). «Селективная фотостимуляция генетически заряженных нейронов ARG». Neuron . 33 (1): 15–22. doi : 10.1016/S0896-6273(01)00574-8 . PMID  11779476. S2CID  16391269.
  21. ^ Zemelman BV, Nesnas N, Lee GA, Miesenbock G (февраль 2003 г.). «Фотохимическое управление гетерологичными ионными каналами: удаленный контроль генетически определенных популяций нейронов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (3): 1352–1357. Bibcode : 2003PNAS..100.1352Z. doi : 10.1073/pnas.242738899 . PMC 298776. PMID  12540832 . 
  22. ^ Banghart M, Borges K, Isacoff E, Trauner D, Kramer RH (декабрь 2004 г.). «Светоактивируемые ионные каналы для дистанционного управления нейронной активностью». Nature Neuroscience . 7 (12): 1381–1386. doi :10.1038/nn1356. PMC 1447674 . PMID  15558062. 
  23. ^ Volgraf M, Gorostiza P, Numano R, Kramer RH, Isacoff EY, Trauner D (январь 2006 г.). «Аллостерический контроль ионотропного рецептора глутамата с помощью оптического переключателя». Nature Chemical Biology . 2 (1): 47–52. doi :10.1038/nchembio756. PMC 1447676 . PMID  16408092. 
  24. ^ Arenkiel BR, Klein ME, Davison IG, Katz LC, Ehlers MD (апрель 2008 г.). «Генетический контроль нейрональной активности у мышей, условно экспрессирующих TRPV1». Nature Methods . 5 (4): 299–302. doi :10.1038/nmeth.1190. PMC 3127246 . PMID  18327266. 
  25. ^ Güler AD, Rainwater A, Parker JG, Jones GL, Argilli E, Arenkiel BR и др. (март 2012 г.). «Транзиторная активация специфических нейронов у мышей путем селективной экспрессии рецептора капсаицина». Nature Communications . 3 : 746. Bibcode :2012NatCo...3..746G. doi :10.1038/ncomms1749. PMC 3592340 . PMID  22434189. 
  26. ^ Wang M, Perova Z, Arenkiel BR, Li B (май 2014). «Синаптические модификации в медиальной префронтальной коре при восприимчивости и устойчивости к стрессу». The Journal of Neuroscience . 34 (22): 7485–7492. doi :10.1523/JNEUROSCI.5294-13.2014. PMC 4035514 . PMID  24872553. 
  27. ^ abc Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, et al. (Ноябрь 2003 г.). "Channelrhodopsin-2, a direct light-gated cation-selective membrane channel". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (24): 13940–13945. Bibcode : 2003PNAS..10013940N. doi : 10.1073/pnas.1936192100 . PMC 283525. PMID  14615590 . 
  28. ^ Harz H, Hegemann P (1991-06-06). "Регулируемые родопсином кальциевые токи в Chlamydomonas". Nature . 351 (6326): 489–491. Bibcode :1991Natur.351..489H. doi :10.1038/351489a0. S2CID  4309593.
  29. ^ Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, Hegemann P (июнь 2002 г.). «Channelrhodopsin-1: протонный канал с регуляцией светом в зеленых водорослях». Science . 296 (5577): 2395–2398. Bibcode :2002Sci...296.2395N. doi :10.1126/science.1072068. PMID  12089443. S2CID  206506942.
  30. ^ Deisseroth K (сентябрь 2015 г.). «Оптогенетика: 10 лет микробных опсинов в нейробиологии». Nature Neuroscience . 18 (9): 1213–1225. doi :10.1038/nn.4091. PMC 4790845 . PMID  26308982. 
  31. ^ Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (сентябрь 2005 г.). «Миллисекундный временной масштаб, генетически направленный оптический контроль нейронной активности». Nature Neuroscience . 8 (9): 1263–1268. doi :10.1038/nn1525. PMID  16116447. S2CID  6809511.
  32. ^ «Он может быть законным изобретателем крупнейшего прорыва в нейронауке за десятилетия. Но вы никогда о нем не слышали». STAT . 1 сентября 2016 г. Получено 9 февраля 2020 г.
  33. ^ Deisseroth, Karl (26 августа 2015 г.). «Оптогенетика: 10 лет микробных опсинов в нейробиологии». Nature Neuroscience . 18 (9): 1213–1225. doi :10.1038/nn.4091. PMC 4790845 . PMID  26308982. 
  34. ^ Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, Pan ZH (апрель 2006 г.). «Эктопическая экспрессия родопсина микробного типа восстанавливает зрительные реакции у мышей с дегенерацией фоторецепторов». Neuron . 50 (1): 23–33. doi :10.1016/j.neuron.2006.02.026. PMC 1459045 . PMID  16600853. 
  35. ^ Lima SQ, Miesenböck G (апрель 2005 г.). «Дистанционное управление поведением посредством генетически направленной фотостимуляции нейронов». Cell . 121 (1): 141–152. doi : 10.1016/j.cell.2005.02.004 . PMID  15820685. S2CID  14608546.
  36. ^ ab Li X, Gutierrez DV, Hanson MG, Han J, Mark MD, Chiel H, et al. (декабрь 2005 г.). «Быстрая неинвазивная активация и ингибирование нейронной и сетевой активности родопсином позвоночных и каналопсином зеленых водорослей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (49): 17816–17821. Bibcode : 2005PNAS..10217816L. doi : 10.1073/pnas.0509030102 . PMC 1292990. PMID  16306259 . 
  37. ^ Nagel G, Brauner M, Liewald JF, Adeishvili N, Bamberg E, Gottschalk A (декабрь 2005 г.). «Световая активация канального родопсина-2 в возбудимых клетках Caenorhabditis elegans запускает быстрые поведенческие реакции». Current Biology . 15 (24): 2279–2284. doi : 10.1016/j.cub.2005.11.032 . PMID  16360690. S2CID  7036529.
  38. ^ Tsien JZ, Chen DF, Gerber D, Tom C, Mercer EH, Anderson DJ и др. (декабрь 1996 г.). «Ограниченный субрегионом и типом клеток нокаут гена в мозге мыши». Cell . 87 (7): 1317–1326. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81826-7 . PMID  8980237. S2CID  863399.
  39. ^ Tsien JZ (2016). «Нейрогенетика Cre-Lox: 20 лет разнообразных приложений в исследовании мозга и подсчете...» Frontiers in Genetics . 7 : 19. doi : 10.3389/fgene.2016.00019 . PMC 4759636. PMID  26925095 . 
  40. ^ Han X, Boyden ES (март 2007 г.). «Многоцветная оптическая активация, подавление и десинхронизация нейронной активности с временным разрешением в один спайк». PLOS ONE . 2 (3). Публичная научная библиотека: e299. Bibcode : 2007PLoSO...2..299H. doi : 10.1371/journal.pone.0000299 . OCLC  678618519. PMC 1808431. PMID  17375185. 
  41. ^ Zhang F, Wang LP, Brauner M, Liewald JF, Kay K, Watzke N, et al. (апрель 2007 г.). «Мультимодальный быстрый оптический опрос нейронных цепей». Nature . 446 (7136): 633–639. Bibcode :2007Natur.446..633Z. doi :10.1038/nature05744. PMID  17410168. S2CID  4415339.
  42. ^ Schröder-Lang S, Schwärzel M, Seifert R, Strünker T, Kateriya S, Looser J, et al. (Январь 2007). «Быстрая манипуляция клеточным уровнем цАМФ с помощью света in vivo». Nature Methods . 4 (1): 39–42. doi :10.1038/nmeth975. PMID  17128267. S2CID  10616442.
  43. ^ Gao S, Nagpal J, Schneider MW, Kozjak-Pavlovic V, Nagel G, Gottschalk A (сентябрь 2015 г.). «Оптогенетическая манипуляция цГМФ в клетках и животных с помощью строго регулируемой светом гуанилилциклазы опсина CyclOp». Nature Communications . 6 (1): 8046. Bibcode :2015NatCo...6.8046G. doi : 10.1038/ncomms9046 . PMC 4569695 . PMID  26345128. 
  44. ^ abc Baratta MV, Nakamura S, Dobelis P, Pomrenze MB, Dolzani SD, Cooper DC (2 апреля 2012 г.). "Оптогенетическая регуляция генетически направленной активности пирамидальных нейронов в префронтальной коре" (PDF) . Nature Precedings . arXiv : 1204.0710 . Bibcode :2012arXiv1204.0710B. doi :10.1038/npre.2012.7102.1. S2CID  31641314.
  45. ^ Husson SJ, Liewald JF, Schultheis C, Stirman JN, Lu H, Gottschalk A (2012). Samuel A (ред.). «Микробные активируемые светом протонные насосы как нейрональные ингибиторы для функционального рассечения нейронных сетей у C. elegans». PLOS ONE . 7 (7): e40937. Bibcode : 2012PLoSO...740937H. doi : 10.1371/journal.pone.0040937 . PMC 3397962. PMID  22815873 .  Значок открытого доступа
  46. ^ Liu Y, LeBeouf B, Guo X, Correa PA, Gualberto DG, Lints R, Garcia LR (март 2011 г.). Goodman MB (ред.). «Холинэргически регулируемая цепь координирует поддержание и бистабильные состояния сенсомоторного поведения во время копуляции самцов Caenorhabditis elegans». PLOS Genetics . 7 (3): e1001326. doi : 10.1371/journal.pgen.1001326 . PMC 3053324. PMID  21423722 .  Значок открытого доступа
  47. ^ Дейссерот К. «Оптогенетика: управление мозгом с помощью света [Расширенная версия]». Scientific American . Получено 28.11.2016 .
  48. ^ Бек С., Ю-Стржельчик Дж., Паульс Д., Константин О.М., Джи СЕ., Эманн Н. и др. (2018). «Синтетические активируемые светом ионные каналы для оптогенетической активации и ингибирования». Frontiers in Neuroscience . 12 : 643. doi : 10.3389/fnins.2018.00643 . PMC 6176052. PMID  30333716 . 
  49. ^ Sierra YA, Rost B, Oldani S, Schneider-Warme F, Seifert R, Schmitz D, Hegemann P (ноябрь 2018 г.). «Двухкомпонентный оптогенетический инструмент на основе калиевых каналов для подавления возбудимых клеток». Biophysical Journal . 114 (3): 668a. Bibcode :2018BpJ...114..668A. doi : 10.1016/j.bpj.2017.11.3607 . hdl : 21.11116/0000-0003-4AEF-E .
  50. ^ Zhao S, Cunha C, Zhang F, Liu Q, Gloss B, Deisseroth K и др. (август 2008 г.). «Улучшенная экспрессия галородопсина для индуцированного светом подавления нейронной активности». Brain Cell Biology . 36 (1–4): 141–154. doi :10.1007/s11068-008-9034-7. PMC 3057022 . PMID  18931914. 
  51. ^ ab Gradinaru V, Thompson KR, Deisseroth K (август 2008 г.). "eNpHR: галородопсин Natronomonas, улучшенный для оптогенетических применений". Brain Cell Biology . 36 (1–4): 129–139. doi :10.1007/s11068-008-9027-6. PMC 2588488 . PMID  18677566. 
  52. ^ abc Witten IB, Lin SC, Brodsky M, Prakash R, Diester I, Anikeeva P, et al. (декабрь 2010 г.). «Холинергические интернейроны контролируют активность локальной цепи и кокаиновое обусловливание». Science . 330 (6011): 1677–1681. Bibcode :2010Sci...330.1677W. doi :10.1126/science.1193771. PMC 3142356 . PMID  21164015. 
  53. ^ Kim JM, Hwa J, Garriga P, Reeves PJ, RajBhandary UL, Khorana HG (февраль 2005 г.). «Световая активация сигнализации бета-2-адренергических рецепторов химерным родопсином, содержащим цитоплазматические петли бета-2-адренергических рецепторов». Биохимия . 44 (7): 2284–2292. doi :10.1021/bi048328i. PMID  15709741.
  54. ^ Airan RD, Thompson KR, Fenno LE, Bernstein H, Deisseroth K (апрель 2009 г.). «Точный во времени контроль внутриклеточной сигнализации in vivo». Nature . 458 (7241): 1025–1029. Bibcode :2009Natur.458.1025A. doi :10.1038/nature07926. PMID  19295515. S2CID  4401796.
  55. ^ Levskaya A, Weiner OD, Lim WA, Voigt CA (октябрь 2009 г.). «Пространственно-временной контроль клеточной сигнализации с использованием взаимодействия белков, переключаемых светом». Nature . 461 (7266): 997–1001. Bibcode :2009Natur.461..997L. doi :10.1038/nature08446. PMC 2989900 . PMID  19749742. 
  56. ^ Wu YI, Frey D, Lungu OI, Jaehrig A, Schlichting I , Kuhlman B, Hahn KM (сентябрь 2009 г.). «Генетически кодируемый фотоактивируемый Rac контролирует подвижность живых клеток». Nature . 461 (7260): 104–108. Bibcode :2009Natur.461..104W. doi :10.1038/nature08241. PMC 2766670 . PMID  19693014. 
  57. ^ Yazawa M, Sadaghiani AM, Hsueh B, Dolmetsch RE (октябрь 2009 г.). «Индукция белок-белковых взаимодействий в живых клетках с использованием света». Nature Biotechnology . 27 (10): 941–945. doi :10.1038/nbt.1569. PMID  19801976. S2CID  205274357.
  58. ^ Stierl M, Stumpf P, Udwari D, Gueta R, Hagedorn R, Losi A и др. (январь 2011 г.). «Световая модуляция клеточного цАМФ небольшой бактериальной фотоактивируемой аденилатциклазой, bPAC, почвенной бактерии Beggiatoa». Журнал биологической химии . 286 (2): 1181–1188. doi : 10.1074/jbc.M110.185496 . PMC 3020725. PMID  21030594 . 
  59. ^ Ryu MH, Moskvin OV, Siltberg-Liberles J, Gomelsky M (декабрь 2010 г.). «Природные и сконструированные фотоактивированные нуклеотидилциклазы для оптогенетических применений». Журнал биологической химии . 285 (53): 41501–41508. doi : 10.1074/jbc.M110.177600 . PMC 3009876. PMID  21030591 . 
  60. ^ Лернер ТН, Йе Л, Дейссерот К (март 2016 г.). «Связь в нейронных цепях: инструменты, возможности и проблемы». Cell . 164 (6): 1136–1150. doi :10.1016/j.cell.2016.02.027. PMC 5725393 . PMID  26967281. 
  61. ^ Aravanis AM, Wang LP, Zhang F, Meltzer LA, Mogri MZ, Schneider MB, Deisseroth K (сентябрь 2007 г.). «Оптический нейронный интерфейс: in vivo контроль моторной коры грызунов с помощью интегрированной волоконно-оптической и оптогенетической технологии». Journal of Neural Engineering . 4 (3): S143–S156. Bibcode :2007JNEng...4S.143A. doi :10.1088/1741-2560/4/3/S02. PMID  17873414. S2CID  1488394.
  62. ^ Адамантидис AR, Чжан F, Араванис AM, Дейссерот K, де Лесеа L (ноябрь 2007 г.). «Нейронные субстраты пробуждения, исследованные с помощью оптогенетических методов контроля гипокретиновых нейронов». Nature . 450 (7168): 420–424. Bibcode :2007Natur.450..420A. doi :10.1038/nature06310. PMC 6744371 . PMID  17943086. 
  63. ^ ab Gradinaru V, Thompson KR, Zhang F, Mogri M, Kay K, Schneider MB, Deisseroth K (декабрь 2007 г.). «Стратегии нацеливания и считывания для быстрого оптического нейронного контроля in vitro и in vivo». The Journal of Neuroscience . 27 (52): 14231–14238. doi :10.1523/JNEUROSCI.3578-07.2007. PMC 6673457 . PMID  18160630. 
  64. ^ Damestani Y, Reynolds CL, Szu J, Hsu MS, Kodera Y, Binder DK и др. (Ноябрь 2013 г.). «Прозрачный нанокристаллический протез свода черепа из стабилизированного иттрием циркония». Nanomedicine . 9 (8): 1135–1138. doi :10.1016/j.nano.2013.08.002. PMID  23969102. S2CID  14212180. • Объяснено Моханом Г. (4 сентября 2013 г.). «Окно в мозг? Оно здесь, говорит команда Калифорнийского университета в Риверсайде». Los Angeles Times .
  65. ^ ab Legaria AA, Matikainen-Ankney BA, Yang B, Ahanonu B, Licholai JA, Parker JG, Kravitz AV (30 августа 2022 г.). «Флорофотометрия в полосатом теле отражает в первую очередь несоматические изменения кальция». Nature Neuroscience . 25 (9): 1124–1128. doi :10.1038/s41593-022-01152-z. PMC 10152879 . 
  66. ^ Wentz CT, Bernstein JG, Monahan P, Guerra A, Rodriguez A, Boyden ES (август 2011 г.). «Устройство с беспроводным питанием и управлением для оптического нейронного контроля свободно ведущих себя животных». Journal of Neural Engineering . 8 (4): 046021. Bibcode :2011JNEng...8d6021W. doi :10.1088/1741-2560/8/4/046021. PMC 3151576 . PMID  21701058. 
  67. ^ Pama EA, Colzato LS, Hommel B (2013-01-01). «Оптогенетика как инструмент нейромодуляции в когнитивной нейронауке». Frontiers in Psychology . 4 : 610. doi : 10.3389 /fpsyg.2013.00610 . PMC 3764402. PMID  24046763. 
  68. ^ Виерок, Йоханнес; Родригес-Розада, Сильвия; Дитер, Александр; Пипер, Флориан; Симс, Рут; Тенедини, Федерико; Бергс, Амели КФ; Бендифаллах, Иман; Чжоу, Фанминь; Цейтшель, Надя; Альбек, Иоахим (2021-07-26). «BiPOLES — это оптогенетический инструмент, разработанный для двунаправленного двухцветного управления нейронами». Nature Communications . 12 (1): 4527. Bibcode :2021NatCo..12.4527V. doi :10.1038/s41467-021-24759-5. ISSN  2041-1723. PMC 8313717 . PMID  34312384. 
  69. ^ Zhang F, Gradinaru V, Adamantidis AR, Durand R, Airan RD, de Lecea L, Deisseroth K (март 2010 г.). «Оптогенетическое исследование нейронных цепей: технология исследования структур мозга млекопитающих». Nature Protocols . 5 (3): 439–456. doi :10.1038/nprot.2009.226. PMC 4503465 . PMID  20203662. 
  70. ^ Zeng H, Madisen L (2012-09-05). "Подходы к трансгенным мышам в оптогенетике". Оптогенетика: инструменты для контроля и мониторинга нейронной активности . Прогресс в исследованиях мозга. Том 196. С. 193–213. doi :10.1016/B978-0-444-59426-6.00010-0. ISBN 9780444594266. PMC  3433654 . PMID  22341327.
  71. ^ Warden MR, Cardin JA, Deisseroth K (июль 2014). «Оптические нейронные интерфейсы». Annual Review of Biomedical Engineering . 16 : 103–129. doi :10.1146/annurev-bioeng-071813-104733. PMC 4163158. PMID  25014785 . 
  72. ^ Guru A, Post RJ, Ho YY, Warden MR (июль 2015 г.). «Making Sense of Optogenetics». Международный журнал нейропсихофармакологии . 18 (11): pyv079. doi :10.1093/ijnp/pyv079. PMC 4756725. PMID  26209858 . 
  73. ^ "Эволюция свободно-поведенческой визуализации и технологии оптогенетики". Имплантат OASIS . Mightex . Получено 2021-06-03 .
  74. ^ Cui G, Jun SB, Jin X, Luo G, Pham MD, Lovinger DM и др. (апрель 2016 г.). «Глубокие оптические измерения нейронной активности клеток, специфичной для определенного типа, у мышей с хорошим поведением». Nature Protocols . 9 (6): 1213–1228. doi :10.1038/nmeth.3770. PMC 4100551 . PMID  24784819. 
  75. ^ Cui G, Jun SB, Jin X, Luo G, Pham MD, Lovinger DM и др. (июнь 2014 г.). «Глубокие оптические измерения нейронной активности, специфичной для типа клеток, у мышей с хорошим поведением». Nature Protocols . 9 (6): 1213–1228. doi :10.1038/nprot.2014.080. PMC 4100551 . PMID  24784819. 
  76. ^ abcd Залокуски КА, Фенно ЛЕ, Дейссерот К (2013). «Современные проблемы оптогенетики». Общество нейронауки .
  77. ^ Heitmann S, Rule M, Truccolo W, Ermentrout B (январь 2017 г.). «Оптогенетическая стимуляция сдвигает возбудимость коры головного мозга с типа I на тип II: начало колебания и распространение волны». PLOS Computational Biology . 13 (1): e1005349. Bibcode : 2017PLSCB..13E5349H. doi : 10.1371/journal.pcbi.1005349 . PMC 5295702. PMID  28118355 . 
  78. ^ Чжан, Янь-Пин; Эртнер, Томас Г. (2007). «Оптическая индукция синаптической пластичности с использованием светочувствительного канала». Nature Methods . 4 (2): 139–141. doi :10.1038/nmeth988. ISSN  1548-7091. PMID  17195846. S2CID  17721823.
  79. ^ Leergaard TB, Hilgetag CC, Sporns O (2012-05-01). «Картирование коннектома: многоуровневый анализ связей мозга». Frontiers in Neuroinformatics . 6 : 14. doi : 10.3389/fninf.2012.00014 . PMC 3340894. PMID  22557964 . 
  80. ^ ab Luboeinski J, Tchumatchenko T (сентябрь 2020 г.). «Характеристики нелинейного ответа нейронных сетей и отдельных нейронов, подвергающихся оптогенетическому возбуждению». Network Neuroscience . 4 (3): 852–870. doi : 10.1162/netn_a_00154 . PMC 7888483 . PMID  33615093. 
  81. ^ "PyRhO: виртуальная лаборатория оптогенетики". GitHub .
  82. ^ "Инструмент моделирования для нейронных сетей и отдельных нейронов со светочувствительными каналами". GitHub .
  83. ^ Azees, Ajmal (декабрь 2023 г.). «Распространение активации и взаимодействие между каналами при многоканальной оптогенетической стимуляции в улитке уха мыши». Hearing Research . 440 . doi : 10.1016/j.heares.2023.108911 . PMID  37977051.
  84. ^ Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC (июль 2010 г.). «Регуляция паркинсонического двигательного поведения с помощью оптогенетического контроля базальных ганглиев». Nature . 466 (7306): 622–626. Bibcode :2010Natur.466..622K. doi :10.1038/nature09159. PMC 3552484 . PMID  20613723. 
  85. ^ Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, Henderson JM, Deisseroth K (апрель 2009 г.). «Оптическая деконструкция нейронных цепей паркинсонизма». Science . 324 (5925): 354–359. Bibcode :2009Sci...324..354G. CiteSeerX 10.1.1.368.668 . doi :10.1126/science.1167093. PMC 6744370 . PMID  19299587.  
  86. ^ Cardin JA, Carlén M, Meletis K, Knoblich U, Zhang F, Deisseroth K и др. (июнь 2009 г.). «Управление быстроспайковыми клетками индуцирует гамма-ритм и контролирует сенсорные реакции». Nature . 459 (7247): 663–667. Bibcode :2009Natur.459..663C. doi :10.1038/nature08002. PMC 3655711 . PMID  19396156. 
  87. ^ Sohal VS, Zhang F, Yizhar O, Deisseroth K (июнь 2009). «Парвальбуминовые нейроны и гамма-ритмы повышают производительность кортикальных цепей». Nature . 459 (7247): 698–702. Bibcode :2009Natur.459..698S. doi :10.1038/nature07991. PMC 3969859 . PMID  19396159. 
  88. ^ Tsai HC, Zhang F, Adamantidis A, Stuber GD, Bonci A, de Lecea L, Deisseroth K (май 2009). «Фазовая активация дофаминергических нейронов достаточна для поведенческого обусловливания». Science . 324 (5930): 1080–1084. Bibcode :2009Sci...324.1080T. doi :10.1126/science.1168878. PMC 5262197 . PMID  19389999. 
  89. ^ Циммер С (24 мая 2021 г.). «Ученые частично восстановили зрение слепого человека с помощью новой генной терапии». The New York Times . Получено 25 мая 2021 г.
  90. ^ Haubensak W, Kunwar PS, Cai H, Ciocchi S, Wall NR, Ponnusamy R и др. (ноябрь 2010 г.). «Генетическое препарирование микросхемы миндалевидного тела, которая управляет условным страхом». Nature . 468 (7321): 270–276. Bibcode :2010Natur.468..270H. doi :10.1038/nature09553. PMC 3597095 . PMID  21068836. 
  91. ^ Johansen JP, Hamanaka H, ​​Monfils MH, Behnia R, Deisseroth K, Blair HT, LeDoux JE (июль 2010 г.). «Оптическая активация пирамидальных клеток латеральной миндалины инструктирует об ассоциативном обучении страху». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (28): 12692–12697. Bibcode : 2010PNAS..10712692J. doi : 10.1073/pnas.1002418107 . PMC 2906568. PMID  20615999 . 
  92. ^ Jasnow AM, Ehrlich DE, Choi DC, Dabrowska J, Bowers ME, McCullough KM и др. (июнь 2013 г.). «Thy1-экспрессирующие нейроны в базолатеральной миндалине могут опосредовать подавление страха». The Journal of Neuroscience . 33 (25): 10396–10404. doi :10.1523/JNEUROSCI.5539-12.2013. PMC 3685835 . PMID  23785152. 
  93. ^ Dias BG, Banerjee SB, Goodman JV, Ressler KJ (июнь 2013 г.). «К новым подходам к расстройствам страха и тревоги». Current Opinion in Neurobiology . 23 (3): 346–352. doi :10.1016/j.conb.2013.01.013. PMC 3672317. PMID  23402950 . 
  94. ^ Karalis N, Dejean C, Chaudun F, Khoder S, Rozeske RR, Wurtz H и др. (апрель 2016 г.). «4-Гц колебания синхронизируют префронтально-миндалевидные цепи во время поведения страха». Nature Neuroscience . 19 (4): 605–612. doi :10.1038/nn.4251. PMC 4843971 . PMID  26878674. 
  95. ^ Шустерман Р., Смир М.С., Кулаков А.А., Ринберг Д. (июль 2011 г.). «Точные обонятельные реакции формируют цикл обоняния». Nature Neuroscience . 14 (8): 1039–1044. doi :10.1038/nn.2877. PMID  21765422. S2CID  5194595.
  96. ^ Смит RS, Ху R, ДеСоуза A, Эберли CL, Крахе K, Чан W, Аранеда RC (июль 2015 г.). «Дифференциальная мускариновая модуляция в обонятельной луковице». Журнал нейронауки . 35 (30): 10773–10785. doi :10.1523/JNEUROSCI.0099-15.2015. PMC 4518052. PMID  26224860 . 
  97. ^ Patterson MA, Lagier S, Carleton A (август 2013 г.). «Запаховые представления в обонятельной луковице развиваются после первого вдоха и сохраняются как остаточное изображение запаха». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (35): E3340–E3349. Bibcode : 2013PNAS..110E3340P. doi : 10.1073/pnas.1303873110 . PMC 3761593. PMID  23918364 . 
  98. ^ Tecuapetla F, Patel JC, Xenias H, English D, Tadros I, Shah F и др. (май 2010 г.). «Глутаматергическая сигнализация мезолимбическими дофаминовыми нейронами в прилежащем ядре». The Journal of Neuroscience . 30 (20): 7105–7110. doi :10.1523/JNEUROSCI.0265-10.2010. PMC 3842465 . PMID  20484653. 
  99. ^ Cela E, McFarlan AR, Chung AJ, Wang T, Chierzi S, Murai KK, Sjöström PJ (март 2019 г.). "Оптогенетическая модель разжигания неокортикальной эпилепсии". Scientific Reports . 9 (1): 5236. Bibcode :2019NatSR...9.5236C. doi :10.1038/s41598-019-41533-2. PMC 6437216 . PMID  30918286. 
  100. ^ ab Ryu B, Nagappan S, Santos-Valencia F, Lee P, Rodriguez E, Lackie M и др. (апрель 2021 г.). «Хроническая потеря торможения в грушевидной коре после кратковременной ежедневной оптогенетической стимуляции». Cell Reports . 35 (3): 109001. doi : 10.1016/j.celrep.2021.109001 . PMC 8102022 . PMID  33882304. 
  101. ^ Bingen BO, Engels MC, Schalij MJ, Jangsangthong W, Neshati Z, Feola I и др. (октябрь 2014 г.). «Светоиндуцированное прекращение спирально-волновых аритмий с помощью оптогенетической инженерии предсердных кардиомиоцитов». Cardiovascular Research . 104 (1): 194–205. doi : 10.1093/cvr/cvu179 . PMID  25082848.
  102. ^ Nussinovitch U, Gepstein L (июль 2015 г.). «Оптогенетика для кардиостимуляции in vivo и ресинхронизирующей терапии». Nature Biotechnology . 33 (7): 750–754. doi :10.1038/nbt.3268. PMID  26098449. S2CID  1794556.
  103. ^ Nyns EC, Kip A, Bart CI, Plomp JJ, Zeppenfeld K, Schalij MJ и др. (Июль 2017 г.). «Оптогенетическое прекращение желудочковых аритмий во всем сердце: на пути к биологическому управлению сердечным ритмом». European Heart Journal . 38 (27): 2132–2136. doi :10.1093/eurheartj/ehw574. PMC 5837774 . PMID  28011703. 
  104. ^ Bruegmann T, Boyle PM, Vogt CC, Karathanos TV, Arevalo HJ, Fleischmann BK и др. (октябрь 2016 г.). «Оптогенетическая дефибрилляция прекращает желудочковую аритмию в мышиных сердцах и человеческих симуляциях». Журнал клинических исследований . 126 (10): 3894–3904. doi :10.1172/JCI88950. PMC 5096832. PMID  27617859 . 
  105. ^ Crocini C, Ferrantini C, Coppini R, Scardigli M, Yan P, Loew LM и др. (октябрь 2016 г.). «Оптогенетическая разработка механистически-основанных шаблонов стимуляции для дефибрилляции сердца». Scientific Reports . 6 : 35628. Bibcode :2016NatSR...635628C. doi :10.1038/srep35628. PMC 5066272 . PMID  27748433. 
  106. ^ Hernandez VH, Gehrt A, Reuter K, Jing Z, Jeschke M, Mendoza Schulz A, et al. (март 2014 г.). «Оптогенетическая стимуляция слухового пути». Журнал клинических исследований . 124 (3): 1114–1129. doi :10.1172/JCI69050. PMC 3934189. PMID  24509078 . 
  107. ^ Keppeler D, Merino RM, Lopez de la Morena D, Bali B, Huet AT, Gehrt A и др. (декабрь 2018 г.). «Сверхбыстрая оптогенетическая стимуляция слухового пути с помощью оптимизированного для нацеливания Chronos». The EMBO Journal . 37 (24): e99649. doi :10.15252/embj.201899649. PMC 6293277. PMID  30396994 . 
  108. ^ Mager T, Lopez de la Morena D, Senn V, Schlotte J, D Errico A, Feldbauer K и др. (май 2018 г.). «Высокочастотная нейронная импульсация и слуховая сигнализация с помощью сверхбыстрой оптогенетики со смещением в красную область». Nature Communications . 9 (1): 1750. Bibcode :2018NatCo...9.1750M. doi :10.1038/s41467-018-04146-3. PMC 5931537 . PMID  29717130. 
  109. ^ "Разработка длинноволновых ионных каналов, управляемых светом, для прослушивания света. Атлас науки" . Получено 7 ноября 2019 г.
  110. ^ Moser T (октябрь 2015 г.). «Оптогенетическая стимуляция слухового пути для исследований и будущего протезирования». Current Opinion in Neurobiology . 34 : 29–36. doi : 10.1016/j.conb.2015.01.004. PMID  25637880. S2CID  35199775.
  111. ^ Lin JY, Knutsen PM, Muller A, Kleinfeld D, Tsien RY (октябрь 2013 г.). «ReaChR: смещенный в красную область вариант канального родопсина обеспечивает глубокое транскраниальное оптогенетическое возбуждение». Nature Neuroscience . 16 (10): 1499–1508. doi :10.1038/nn.3502. PMC 3793847 . PMID  23995068. 
  112. ^ Matthews GA, Nieh EH, Vander Weele CM, Halbert SA, Pradhan RV, Yosafat AS и др. (февраль 2016 г.). «Дорсальные дофаминовые нейроны шва отражают опыт социальной изоляции». Cell . 164 (4): 617–631. doi :10.1016/j.cell.2015.12.040. PMC 4752823 . PMID  26871628. 
  113. ^ Klapoetke NC, Murata Y, Kim SS, Pulver SR, Birdsey-Benson A, Cho YK и др. (март 2014 г.). «Независимое оптическое возбуждение отдельных нейронных популяций». Nature Methods . 11 (3): 338–346. doi :10.1038/nmeth.2836. PMC 3943671 . PMID  24509633. 
  114. ^ Berndt A, Yizhar O, Gunaydin LA, Hegemann P, Deisseroth K (февраль 2009 г.). «Би-стабильные переключатели нейронного состояния». Nature Neuroscience . 12 (2): 229–234. doi :10.1038/nn.2247. PMID  19079251. S2CID  15125498.
  115. ^ Говорунова EG, Синещеков OA, Янц R, Лю X, Спудич JL (август 2015). "НЕЙРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ. Природные светочувствительные анионные каналы: семейство микробных родопсинов для продвинутой оптогенетики". Science . 349 (6248): 647–650. doi :10.1126/science.aaa7484. PMC 4764398 . PMID  26113638. 
  116. ^ Mauss AS, Busch C, Borst A (октябрь 2017 г.). «Оптогенетическое нейронное молчание у дрозофилы во время визуальной обработки». Scientific Reports . 7 (1): 13823. Bibcode :2017NatSR...713823M. doi :10.1038/s41598-017-14076-7. PMC 5653863 . PMID  29061981. 
  117. ^ Португес, Рубен; Севери, Кристен Э.; Уайарт, Клэр; Аренс, Миша Б. (2013-02-01). «Оптогенетика у прозрачного животного: функция контура у личинки данио-рерио». Current Opinion in Neurobiology . Neurogenetics. 23 (1): 119–126. doi :10.1016/j.conb.2012.11.001. ISSN  0959-4388. PMID  23246238. S2CID  19906279.
  118. ^ Канде, Джессика; Намики, Шигехиро; Цю, Джируи; Корфф, Уайетт; Кард, Гвинет М.; Шаевиц, Джошуа В.; Стерн, Дэвид Л.; Берман, Гордон Дж. (2018-06-26). Скотт, Кристин (ред.). «Оптогенетическая диссекция нисходящего поведенческого контроля у дрозофилы». eLife . 7 : e34275. doi : 10.7554/eLife.34275 . ISSN  2050-084X. PMC 6031430 . PMID  29943729. 
  119. ^ DeAngelis, Brian D; Zavatone-Veth, Jacob A; Gonzalez-Suarez, Aneysis D; Clark, Damon A (2020-04-22). Calabrese, Ronald L (ред.). "Пространственно-временная точная оптогенетическая активация сенсорных нейронов у свободно шагающей дрозофилы". eLife . 9 : e54183. doi : 10.7554/eLife.54183 . ISSN  2050-084X. PMC 7198233 . PMID  32319425. 
  120. ^ Бидай, Салил С.; Латурни, Меган; Чанг, Эми К.; Лю, Юэцзян; Бокемюль, Тилль; Бюшгес, Ансгар; Скотт, Кристин (11.11.2020). «Два мозговых пути инициируют различные программы ходьбы вперед у дрозофилы». Neuron . 108 (3): 469–485.e8. doi :10.1016/j.neuron.2020.07.032. ISSN  0896-6273. PMC 9435592 . PMID  32822613. S2CID  221198570. 
  121. ^ Хайни, Шейн А.; Ким, Джинсук; Августин, Джордж Дж.; Медина, Хавьер Ф. (2014-02-05). «Точный контроль кинематики движения с помощью оптогенетического ингибирования активности клеток Пуркинье». Журнал нейронауки . 34 (6): 2321–2330. doi :10.1523/JNEUROSCI.4547-13.2014. ISSN  0270-6474. PMC 3913874. PMID 24501371  . 
  122. ^ Solari N, Sviatkó K, Laszlovszky T, Hegedüs P, Hangya B (май 2018 г.). «Инструменты с открытым исходным кодом для временно контролируемого поведения грызунов, подходящие для электрофизиологии и оптогенетических манипуляций». Frontiers in Systems Neuroscience . 12 : 18. doi : 10.3389/fnsys.2018.00018 . PMC 5962774. PMID  29867383 . 
  123. ^ Lin JY (январь 2011 г.). «Руководство пользователя по вариантам канального родопсина: особенности, ограничения и будущие разработки». Experimental Physiology . 96 (1): 19–25. doi :10.1113/expphysiol.2009.051961. PMC 2995811 . PMID  20621963. 
  124. ^ Гросеник, Логан; Маршел, Джеймс Х.; Дейссерот, Карл (2015-04-08). «Замкнутый контур и управляемый активностью оптогенетический контроль». Neuron . 86 (1): 106–139. doi :10.1016/j.neuron.2015.03.034. ISSN  0896-6273. PMC 4775736 . PMID  25856490. 
  125. ^ Армстронг, Карен; Крук-Магнусон, Эстер; Ойала, Микко; Солтес, Иван (2013). «Оптогенетическое вмешательство замкнутого цикла у мышей». Nature Protocols . 8 (8): 1475–1493. doi :10.1038/nprot.2013.080. ISSN  1750-2799. PMC 3988315 . PMID  23845961. 
  126. ^ Kovács KA, O'Neill J, Schoenenberger P, Penttonen M, Ranguel Guerrero DK, Csicsvari J (19 ноября 2016 г.). «Оптогенетически блокирующее острые волновые ряби события во сне не мешает формированию стабильного пространственного представления в области CA1 гиппокампа». PLOS ONE . ​​11 (10): e0164675. Bibcode :2016PLoSO..1164675K. doi : 10.1371/journal.pone.0164675 . PMC 5070819 . PMID  27760158. 
  127. ^ ab Valon L, Marín-Llauradó A, Wyatt T, Charras G, Trepat X (февраль 2017 г.). "Оптогенетическая регуляция клеточных сил и механотрансдукция". Nature Communications . 8 : 14396. Bibcode :2017NatCo...814396V. doi :10.1038/ncomms14396. PMC 5309899 . PMID  28186127. 
  128. ^ abcde Khamo JS, Кришнамурти В.В., Шарум С.Р., Мондал П., Чжан К. (октябрь 2017 г.). «Применение оптобиологии в интактных клетках и многоклеточных организмах». Журнал молекулярной биологии . 429 (20): 2999–3017. дои : 10.1016/j.jmb.2017.08.015. ПМИД  28882542.
  129. ^ Fenno L, Yizhar O, Deisseroth K (2011). «Развитие и применение оптогенетики». Annual Review of Neuroscience . 34 : 389–412. doi :10.1146/annurev-neuro-061010-113817. PMC 6699620. PMID 21692661  . 
  130. ^ "Метод года 2010: Оптогенетика". Nature Video . 17 декабря 2010 г.
  131. ^ "optogenetics - Результаты поиска". PubMed . Получено 29.02.2020 .
  132. ^ Wittmann T, Dema A, van Haren J (октябрь 2020 г.). «Освещение, цитоскелет, действие: оптогенетический контроль динамики клеток». Current Opinion in Cell Biology . 66. Elsevier Ltd.: 1–10. doi :10.1016/j.ceb.2020.03.003. PMC 7577957. PMID 32371345  . 
  133. ^ Konermann S, Brigham MD, Trevino A, Hsu PD, Heidenreich M, Cong L и др. (август 2013 г.). «Оптический контроль эндогенной транскрипции млекопитающих и эпигенетических состояний». Nature . 500 (7463): 472–476. Bibcode :2013Natur.500..472K. doi :10.1038/nature12466. PMC 3856241 . PMID  23877069. 
  134. ^ Leung DW, Otomo C, Chory J, Rosen MK (сентябрь 2008 г.). «Генетически кодируемое фотопереключение сборки актина через сложный путь Cdc42-WASP-Arp2/3». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (35): 12797–12802. Bibcode : 2008PNAS..10512797L. doi : 10.1073/pnas.0801232105 . PMC 2525560. PMID  18728185 . 
  135. ^ Toettcher JE, Gong D, Lim WA, Weiner OD (сентябрь 2011 г.). «Световая обратная связь для управления динамикой внутриклеточной сигнализации». Nature Methods . 8 (10): 837–839. doi :10.1038/nmeth.1700. PMC 3184382 . PMID  21909100. 
  136. ^ Strickland D, Lin Y, Wagner E, Hope CM, Zayner J, Antoniou C и др. (март 2012 г.). «TULIPs: настраиваемые, управляемые светом взаимодействующие белковые метки для клеточной биологии». Nature Methods . 9 (4): 379–384. doi :10.1038/nmeth.1904. PMC 3444151 . PMID  22388287. 
  137. ^ Idevall-Hagren O, Dickson EJ, Hille B, Toomre DK, De Camilli P (август 2012 г.). «Оптогенетическая регуляция метаболизма фосфоинозитида». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (35): E2316–E2323. Bibcode : 2012PNAS..109E2316I. doi : 10.1073 /pnas.1211305109 . PMC 3435206. PMID  22847441. 
  138. ^ Bugaj LJ, Choksi AT, Mesuda CK, Kane RS, Schaffer DV (март 2013 г.). «Оптогенетическая кластеризация белков и активация сигнализации в клетках млекопитающих». Nature Methods . 10 (3): 249–252. doi :10.1038/nmeth.2360. PMID  23377377. S2CID  8737019.
  139. ^ Lungu OI, Hallett RA, Choi EJ, Aiken MJ, Hahn KM, Kuhlman B (апрель 2012 г.). «Проектирование фотопереключаемых пептидов с использованием домена AsLOV2». Химия и биология . 19 (4): 507–517. doi :10.1016/j.chembiol.2012.02.006. PMC 3334866. PMID  22520757 . 
  140. ^ Wu YI, Frey D, Lungu OI, Jaehrig A, Schlichting I, Kuhlman B, Hahn KM (сентябрь 2009 г.). «Генетически кодируемый фотоактивируемый Rac контролирует подвижность живых клеток». Nature . 461 (7260): 104–108. Bibcode :2009Natur.461..104W. doi :10.1038/nature08241. PMC 2766670 . PMID  19693014. 
  141. ^ Smart AD, Pache RA, Thomsen ND, Kortemme T , Davis GW, Wells JA (сентябрь 2017 г.). «Разработка активируемой светом каспазы-3 для точной абляции нейронов in vivo». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (39): E8174–E8183. Bibcode :2017PNAS..114E8174S. doi : 10.1073/pnas.1705064114 . PMC 5625904 . PMID  28893998. 
  142. ^ Dagliyan O, Tarnawski M, Chu PH, Shirvanyants D, Schlichting I, Dokholyan NV, Hahn KM (декабрь 2016 г.). «Инженерия внешнего беспорядка для контроля активности белков в живых клетках». Science . 354 (6318): 1441–1444. Bibcode :2016Sci...354.1441D. doi :10.1126/science.aah3404. PMC 5362825 . PMID  27980211. 
  143. ^ Guntas G, Hallett RA, Zimmerman SP, Williams T, Yumerefendi H, Bear JE, Kuhlman B (январь 2015 г.). «Инженерия улучшенного светоиндуцированного димера (iLID) для контроля локализации и активности сигнальных белков». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (1): 112–117. Bibcode : 2015PNAS..112..112G. doi : 10.1073/pnas.1417910112 . PMC 4291625. PMID  25535392 . 
  144. ^ Wang H, Vilela M, Winkler A, Tarnawski M, Schlichting I, Yumerefendi H и др. (сентябрь 2016 г.). «LOVTRAP: оптогенетическая система для фотоиндуцированной диссоциации белков». Nature Methods . 13 (9): 755–758. doi :10.1038/nmeth.3926. PMC 5137947 . PMID  27427858. 
  145. ^ van Haren J, Charafeddine RA, Ettinger A, Wang H, Hahn KM, Wittmann T (март 2018 г.). «Локальный контроль динамики внутриклеточных микротрубочек с помощью фотодиссоциации EB1». Nature Cell Biology . 20 (3). Nature Research.: 252–261. doi :10.1038/s41556-017-0028-5. PMC 5826794 . PMID  29379139. 
  146. ^ ab Zhou XX, Chung HK, Lam AJ, Lin MZ (ноябрь 2012 г.). "Оптический контроль активности белка флуоресцентными доменами белка". Science . 338 (6108): 810–814. Bibcode :2012Sci...338..810Z. doi :10.1126/science.1226854. PMC 3702057 . PMID  23139335. 
  147. ^ Tischer D, Weiner OD (август 2014). «Освещение клеточной сигнализации с помощью оптогенетических инструментов». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 15 (8): 551–558. doi :10.1038/nrm3837. PMC 4145075. PMID  25027655 . 
  148. ^ Purvis JE, Lahav G (февраль 2013 г.). «Кодирование и декодирование клеточной информации посредством динамики сигнализации». Cell . 152 (5): 945–956. doi :10.1016/j.cell.2013.02.005. PMC 3707615 . PMID  23452846. 
  149. ^ Сантос SD, Вервир PJ, Бастиенс PI (март 2007). «Топология сети MAPK, вызванная фактором роста, формирует ответ Erk, определяющий судьбу клеток PC-12». Nature Cell Biology . 9 (3): 324–330. doi :10.1038/ncb1543. PMID  17310240. S2CID  31709706.
  150. ^ Toettcher JE, Weiner OD, Lim WA (декабрь 2013 г.). «Использование оптогенетики для исследования динамического управления передачей сигнала модулем Ras/Erk». Cell . 155 (6): 1422–1434. doi :10.1016/j.cell.2013.11.004. PMC 3925772 . PMID  24315106. 
  151. ^ Huidobro N, Mendez-Fernandez A, Mendez-Balbuena I, Gutierrez R, Kristeva R, Manjarrez E (2017). «Броуновская оптогенетическая шумовая фотостимуляция мозга усиливает вызванные соматосенсорные полевые потенциалы». Frontiers in Neuroscience . 11 : 464. doi : 10.3389/fnins.2017.00464 . PMC 5583167. PMID  28912671 . 
  152. ^ Huidobro N, De la Torre-Valdovinos B, Mendez A, Treviño M, Arias-Carrion O, Chavez F и др. (январь 2018 г.). «Оптогенетическая шумовая фотостимуляция мозга увеличивает соматосенсорные импульсные реакции». Neuroscience Letters . 664 : 51–57. doi : 10.1016/j.neulet.2017.11.004. PMID  29128628. S2CID  3370851.
  153. ^ Mabil P, Huidobro N, Torres-Ramirez O, Flores-Hernandez J, Flores A, Gutierrez R, Manjarrez E (2020). «Шумный свет усиливает ток Na+ в соматосенсорных пирамидальных нейронах оптогенетических трансгенных мышей». Frontiers in Neuroscience . 14 : 490. doi : 10.3389/fnins.2020.00490 . PMC 7263390. PMID  32528244 . 
  154. ^ Девятая ежегодная премия Wiley в области биомедицинских наук вручена доктору Петеру Хегеманну, доктору Георгу Нагелю и доктору Эрнсту Бамбергу (wiley.com)
  155. ^ "Karl Heinz Beckurts-Preis 2010". Фонд Карла Хайнца Беккуртса .
  156. ^ "HFSP Nakasone Award 2010". Программа Human Frontier Science .
  157. ^ "Международная премия по трансляционной нейронауке Фонда Гертруды Реемтсмы (премия К. Й. Цюльха до 2019 г.)". Общество Макса Планка .
  158. ^ «Международная премия в области здравоохранения InBev-Baillet Latour» (PDF) . Fonds de la Recherche Scientifique — FNRS .
  159. ^ Премия Луи-Жанте
  160. ^ "The Brain Prize 2013". Архивировано из оригинала 4 октября 2013 г. Получено 3 октября 2013 г.
  161. ^ Reiner A, Isacoff EY (октябрь 2013 г.). «Премия за развитие мозга 2013 г.: революция в оптогенетике». Trends in Neurosciences . 36 (10): 557–560. doi :10.1016/j.tins.2013.08.005. PMID  24054067. S2CID  205404606.
  162. ^ "Премия Эльзы Крёнер-Фрезениус за медицинские исследования 2017 г.". Фонд Эльзы Крёнер-Фрезениус .
  163. ^ "Лауреат премии Киото 2018 года Карл Дейссерот". Премия Киото .
  164. ^ «Премия Рамфорда присуждена за изобретение и усовершенствование оптогенетики». Американская академия искусств и наук . 30 января 2019 г. Получено 12 марта 2019 г.
  165. ^ "Лауреат премии Heineken 2020 Карл Дайссерот". Премии Heineken .
  166. ^ "Лауреаты премии Шоу 2020 года Мизенбёк, Хегеманн и Георг Нагель". Премия Шоу .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Найдите информацию об оптогенетике в Викисловаре, бесплатном словаре.