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우리가 광유전학으로 제어하거나 유도할 수 있는 가장 구체적인 행동은 무엇입니까?

우리가 광유전학으로 제어하거나 유도할 수 있는 가장 구체적인 행동은 무엇입니까?


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광유전학은 행동이 뉴런 집단에 의해 제어되는 방식을 연구하기 위해 신경 과학에서 매우 널리 사용됩니다. 예를 들어, 많이 인용된 2011년 Nature 논문에서 Lin et al. 시상하부의 뉴런을 자극하여 쥐에게 공격적인 행동을 유도할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 쥐가 폭력적으로 변하는 데에는 여러 가지 이유가 있는 것 같습니다. 그것은 고통을 겪을 수도 있고, 자손을 보호할 수도 있고, 무언가를 놓고 다른 쥐와 경쟁할 수도 있고, 뇌 손상을 유지하고 행동을 제어할 수 없을 수도 있습니다(그리고 우리는 자극이 없을 때 광유전학이 마우스 뇌의 비정상적인 활동 및 때때로 발작의 결과: 다중 GCaMP6-발현 형질전환 마우스 계통의 비정상적인 피질 활성…

그래서 제 질문은: 오늘날 우리가 광유전학을 사용하여 제어하고 유도할 수 있는 가장 구체적이고 정확한 행동은 무엇입니까?


불을 켜다

Deisseroth가 광유전학을 다루기 수년 전에 DNA의 구조를 공동 규명한 노벨상 수상자인 Francis Crick은 신경과학이 뇌의 한 유형의 세포를 제어하고 나머지는 변경하지 않은 상태로 유지하는 도구가 필요하다고 주장했습니다. 그는 이러한 도구가 신경과학자들이 특정 뉴런 그룹을 켜고 끄는 방법을 제공하여 뇌가 어떻게 기능하는지 더 많이 배울 수 있다고 말했습니다.

수십 년이 지난 후에도 전 세계의 과학자들은 빛을 사용하는 몇 가지 접근 방식을 포함하여 그 비전을 수행할 수 있는 가능한 방법에 대해 여전히 논의하고 있었습니다. Deisseroth는 단세포 유기체에서 발견되는 미생물 옵신이라는 단백질을 중심으로 연구실의 접근 방식을 구축하기로 결정했습니다. 그는 독일 과학자 Peter Hegemann이 발견한 채널로돕신(channelrhodopsin)이라고 불리는 녹조류(연못 쓰레기라고도 함)에서 추출한 옵신으로 시작했습니다.

이 단백질은 뉴런이 발화하는 방식과 관련된 방식으로 빛에 반응합니다. 이 단백질은 세포 표면에 채널을 형성하여 이온을 세포로 열고 허용합니다. 신경에서 그 채널은 발사 신호를 수신할 때 열립니다. 조류에서는 빛에 반응하여 열립니다. 채널로돕신이 살아있는 동물의 뉴런에서 동일한 일을 하도록 만들어질 수 있다면 빛을 사용하여 해당 뉴런의 활동을 제어하는 ​​방법을 제공할 수 있습니다. 아마도 동물의 행동 중에도 마찬가지일 것입니다.

이 개념은 이론적으로 가능했지만 위험했으며 실제로 살아있는 동물에서 작동하는 데는 오랜 시간이 걸렸습니다. 필요한 많은 수의 옵신을 뇌 내의 특정 세포 그룹에 전달하고 뇌 깊숙이 빛을 표적화하는 것은 모두 문제를 제기했으며 많은 옵신이 처음에는 뉴런에서 잘 생성되지 않거나 허용되지 않았습니다.

모든 핵심 조각이 마침내 제자리에 놓였을 때, 그들은 광섬유를 사용하여 살아있는 동물의 옵신을 품고 있는 뉴런 그룹에 작은 빛을 비출 수 있었고 제어된 방식으로 뉴런의 특정 하위 집합이 발화하거나 침묵하도록 할 수 있었습니다. 정상 또는 질병 관련 행동.

Nancy Friend Pritzker 교수이기도 한 Malenka는 "칼은 이것이 얼마나 중요한지 깨닫는 통찰력을 가지고 있었습니다."라고 말합니다. "이런 생각이 떠돌았지만 그는 채널로돕신 발견의 중요성을 인식하고 그것을 작동시켰습니다."


광유전학을 통한 기억 조작: 신경 과학자 Xu Liu 및 Steve Ramirez와의 대화

지난 몇 년 동안 MIT의 신경과학자 Xu Liu와 Steve Ramirez는 공상과학 소설에서나 가능한 것처럼 보이는 아이디어를 현실로 만들어 왔습니다. 그들의 연구실에서 Liu와 Ramirez는 생쥐에서 인공 기억을 생성할 수 있었습니다. 그들의 연구는 뇌의 학습과 기억을 제어, 조작 및 조작하는 신경과학자의 능력이 증가하고 있음을 보여줍니다. 그들의 TEDx Boston 강연에서 Ramirez는 "외견상 신비로운 속성을 가진 마음은 실제로 우리가 땜질할 수 있는 물리적인 물질로 이루어져 있습니다."라고 설명했습니다.

Liu와 Ramirez가 뇌를 땜질하고, 탐색하고, 조작할 수 있게 해주는 도구는 광유전학으로 연구자들이 빛에 민감한 단백질의 DNA를 특정 뉴런에 삽입하여 플래시를 사용하여 특정 뉴런을 켜고 끌 수 있도록 하는 과정입니다. 빛의. (광유전학의 작동 방식에 대한 간략한 소개는 MIT McGovern 뇌 연구 연구소의 이 비디오를 확인하십시오.)

특정 뉴런을 활성화 및 비활성화하기 위해 빛을 사용하는 방법을 보여주는 쥐의 광유전학적 설정(WikiCommons)

지난 10년 동안 개발된 광유전학은 전기 자극이나 약리학적 방법과 달리 뉴런의 매우 정확한 활성화 및 비활성화를 허용하기 때문에 연구자가 뇌 기능을 이해하고 뇌 장애를 치료하는 데 도움이 되는 엄청난 잠재력을 보여주었습니다. Liu와 Ramirez가 획기적인 실험을 수행할 수 있었던 것은 바로 이러한 정확성이었습니다. 학습 및 기억 외에도 광유전학은 통증, 중독, 수면 및 사회적 행동을 연구하는 데 사용되었으며 백악관의 새로운 BRAIN 이니셔티브의 성공에 중요한 기술로 강조되었습니다.

우리는 최근에 MIT의 Tonegawa 연구소에서 Liu와 Ramirez와 함께 그들이 어떻게 생쥐에서 잘못된 기억을 만들 수 있었는지에 대해 자세히 알아보고 광유전학 연구의 미래에 대해 논의했습니다.

Anne West: 어떻게 쥐에게 거짓 공포 기억을 만들 수 있었는지에 대한 논리를 설명할 수 있습니까?

쉬 리우: 기억은 견고하고 불변하는 것이 아닙니다. 사실, 무언가를 기억할 때마다 그 기억에 약간의 변경을 가하여 뇌에 다시 저장됩니다. 이것이 기억이 시간이 지남에 따라 진화하는 이유입니다. 이 경우 Steve [Ramirez]와 나는 회상 기억을 유도했지만 동시에 동물에게 새로운 정보를 제공했습니다. 그 새로운 정보는 이 재활성화된 메모리에 통합되고 다시 저장될 때 메모리를 변경합니다. 이것이 소위 "인공" 또는 "거짓" 기억을 이식한 방법입니다. 모든 종류의 기억에 발생하는 정상적인 현상을 기반으로 합니다.

AW: 어떻게 쥐에 거짓 공포 기억을 이식할 수 있었나요?

특대: 우리는 하나의 기억을 형성하는 데 활성화된 세포에 레이블을 지정하는 방법을 찾고 나중에 광유전학이라는 기술을 사용하여 뇌에서 정확히 동일한 세포 집단을 활성화할 수 있습니다. 이렇게 하면 기억을 회상할 수 있습니다. 2012년 연구에서 우리는 하나의 컨텍스트 또는 하나의 특정 환경(상자)에 대한 중립적 기억의 회상을 활성화한 다음 동시에 빛을 사용하여 해당 기억을 재활성화할 때 충격을 주기도 합니다. 이 모든 것은 첫 번째 환경과 완전히 다른 환경에서 발생합니다. 우리는 상자 1의 재활성화된 기억을 상자 2의 실제 충격과 인위적으로 연관시키고 싶습니다. 실제로 동물은 상자 2에서 충격을 받았습니다. 그러나 이 실험을 통해 동물은 상자 1에서 충격을 받은 것으로 믿게 되었습니다. 나중에, 동물을 상자 1에 다시 넣으면 상자 1을 충격과 연관시키기 때문에 공포 기억이 있음을 나타내는 행동을 표시하여 얼어붙는 행동을 보이기 시작합니다(아래 이미지 참조).

이미지: Collective Next의 Evan Wondolowski

AW: 거짓 공포 기억을 생성하는 이 실험을 설계할 때 학습과 기억에 대한 어떤 더 광범위한 질문에 답하려고 했습니까?

특대: 이것이 [작동]하는 모든 이유는 새로운 정보를 제시하면서 거짓 기억을 형성할 수 있는 기억의 속성에 근거합니다.

SR: 그것이 바로 제 대답입니다. 이 경우 2가지를 알려줍니다. 우리는 이미 인간과 동물 연구를 통해 기억이 과거의 녹음기가 아니라는 것을 알고 있습니다. 그것은 실제로 당신이 과거의 일부를 그 기억에 다시 붙여 넣는 것에서 과거에 대한 완전하고 사실적인 표현이 되지 않도록 하는 재구축 과정입니다. 많은 행동 신경과학자들이 사용하는 용어는 기억이 "불안정"하다는 것입니다. 이는 수정될 수 있습니다. 그러나 인공적으로 기억을 불안정하게 만들고 충격의 형태로 새로운 정보를 도입할 수 있습니까? 그것은 해마가 무엇을 하고 있는지에 대해 많은 것을 말해 줄 수 있습니다. 해마가 이러한 기억을 되살리고 불안정한 상태로 되돌리는 데 관여한다면 새로운 정보의 동시 도입이 그 기억에 새로운 정보를 가져올 수 있다는 것입니다.

AW: 학습과 기억을 테스트하기 위해 광유전학을 선택한 이유는 무엇입니까?

스티브 라미레즈: 광유전학은 특정 세포 세트에 대해 전례 없는 제어를 제공합니다. 광유전학 이전에는 전기를 제외하고는 뇌가 사용하는 밀리초 단위로 작동할 수 있는 도구가 없었지만 문제는 특정 기억을 지원하는 해마 내의 특정 세포 세트를 목표로 삼고 싶다면 전기를 해당 세포에만 목표로 삼는다는 것입니다. 뇌가 이미 의사 소통에 사용하는 주요 수단이기 때문에 거의 불가능합니다. 거기에 가서 무차별적으로 뇌의 일부를 재핑하면 그 기억보다 훨씬 더 많이 재핑하게 될 것입니다. 광유전학의 멋진 부분은 뇌 세포가 일반적으로 빛에 반응하지 않는다는 것입니다. 따라서 이 경우 빛에 반응하는 것은 빛에 반응하도록 속이는 세포뿐입니다. [이 경우] 실제로 뇌에 빛을 쏘고 이웃 세포는 그대로 둘 수 있으며 반응할 유일한 세포는 이미 선택한 세포뿐입니다. 그래서 당신은 뇌가 통신하는 시간 척도에서 뇌를 조사하고 있습니다. 이것이 광유전학을 놀라운 것으로 만드는 "구멍 속의 에이스"입니다.

AW: 쥐의 뇌에서 광유전학을 사용한 당신의 연구는 인간의 뇌와 학습과 기억에 대한 이해에 어떤 ​​의미를 가집니까?

SR: 여기서 중요한 점은 특정 메모리를 제어할 수 있는 정의된 셀 집합에 대해 신속하고 광학적으로 제어할 수 있음을 입증할 수 있다는 것입니다. 우리가 그렇게 할 수 있다는 사실은 과학의 힘에 대한 증거입니다. 인간에게 미치는 영향은 [이] 하나의 아이디어가 강력하다는 것입니다. 우리는 이제 특정 기억을 회상하게 하는 정의된 셀 세트에 대한 제어를 정의했습니다. 인간이 아닌 영장류나 인간에서 필드가 [유사한 실험]을 하는 것을 막는 유일한 것은 기술 적응입니다.

우리는 특정 메모리를 제어할 수 있는 정의된 셀 세트에 대해 신속하고 광학적으로 제어할 수 있음을 입증할 수 있었습니다.

이제 질문은 "기억을 다시 활성화할 수 있습니까?"가 아닙니다. 그 대답이 "예"이기 때문입니다. 이제 문제는 "이를 어떻게 확장할 수 있습니까? 인간이 아닌 영장류에서 어떻게 그렇게 할 수 있습니까? 윤리적으로 사려 깊은 방식으로?” 그러나 그것은 더 이상 "만약"의 문제가 아닙니다. 이제 우리는 적어도 생쥐에서 우리가 할 수 있다는 것을 알고 있기 때문에 "어떻게 할 수 있습니까?"의 문제입니다.

AW: 예를 들어 10년 후에 인간에게 광유전학이 사용되는 것을 상상하십니까?

SR: 그것은 이미 인간이 아닌 영장류에서 사용되고 있습니다. 나는 올바른 질문을 할 때 그것이 사용되는 것을 봅니다. 예를 들어 발작이라고 가정해 봅시다. 우리는 때때로 특정 종류의 발작이 뇌에 원래 초점이 있다는 것을 알고 있습니다. 뇌 세포의 작은 공이 통제 불능 상태로 경련적으로 발사되기 시작할 것입니다. 일종의 도미노처럼 뇌 전체를 장악하고 발작을 일으킵니다. 이제 문제가 있는 패치에 빛을 조준할 수 있다면 어떨까요? 역사적으로, 당신은 들어가서 그것을 퍼내고 그 신경 조직을 제거해야 했습니다. 문제가 있는 작은 패치를 빛에 민감하게 만들고 해당 패치에 도달할 수 있는 일종의 발광기를 갖고 임계값을 초과하려고 할 때 감지하여 발작을 일으킬 수 있다면 어떻게 할까요? ? 간단하지는 않지만 개념적으로는 구현하기 쉽습니다.

기억을 재활성화하고 비활성화하는 것과 같은 것은 저에게 완전히 다른 짐승입니다. 원칙적으로는 가능하지만 기술은 아직 존재하지 않습니다. 나는 그것이 구현되는 것을 보고 싶고 일어나기까지 한 혁명일 뿐이지만 현재로서는 불가능하다고 생각합니다. 우리가 당신의 내면을 들여다보아야 할 가장 좋은 것은 fMRI이며, 우리는 1000/1000의 뇌 세포의 해상도에서만 볼 수 있지만 뇌 세포의 바다에서 기억을 찾기가 어렵습니다. 기술은 아직 없습니다.

AW: 인체 내부에 있지만 뇌 외부에 있는 다른 세포에 대한 광유전학의 잠재적 응용 가능성이 있습니까?

특대: 사람들은 뉴런뿐만 아니라 다른 유형의 세포에도 적용할 수 있는 모든 유형의 도구를 개발하려고 노력하고 있습니다. 빛을 사용하여 유전자의 전사 및 번역 또는 세포의 기타 분자 신호 경로를 제어할 수 있습니다. 그렇게 함으로써, 당신은 뇌의 뉴런뿐만 아니라 다른 세포에도 빛 조절 가능한 조작을 적용할 수 있을 것입니다. 여기에는 암이나 당뇨병의 치료가 있을 수 있습니다. 현재 사람들은 광유전학의 범위를 확장하기 위해 점점 더 많은 도구를 개발하고 있습니다. 그것이 제가 보기에 매우 흥미로운 시작입니다.

AW: 일반적으로 당신의 작업과 광유전학 연구에 대해 가장 자주 오해하는 것은 무엇입니까?

SR: 첫째, 우리가 잘못된 기억을 만들었기 때문에 특히 2012년 논문을 둘러싸고 많은 선정주의가 있습니다. 우리 논문에 대한 가장 큰 혼란 중 하나는 우리가 처음부터 기억을 생성함으로써 잘못된 기억을 "삽입"하고 있다는 것, 즉 "기억 재료"의 벽돌과 박격포로 만들고 있다는 것입니다. 우리가 이미 뇌에 존재하는 요소를 재결합하는 것 이상입니다.

또한 쥐에 대한 실험과 인간의 잘못된 기억 사이의 관계도 불분명합니다. 그들이 얼마나 많은 관계를 맺고 있는지 보는 방법이 있지만 앞으로 몇 년 동안 이것이 인간에게 사용될 수 있다고 센세이셔널리즘이 많이있었습니다. 작업이 진화의 사다리를 가로질러 그렇게 빠르거나 완벽하게 번역되지 않기 때문에 그것은 오해입니다. 쥐에서 작업하는 것에서 인간을 대상으로 하는 작업에 이르기까지 수행해야 하는 비약과 한계가 너무 많습니다. 여기에는 윤리적 파급 효과가 포함되지 않습니다. 쥐와 인간 사이의 평행선을 빠르게 그리는 사람들은 그것이 하룻밤 사이에 일어날 것이라고 생각하지만, 그렇지 않습니다. 원칙적으로는 가능하지만 곧 있을 수는 없습니다.

AW: 쥐의 학습과 기억을 연구하기 위해 광유전학을 사용하는 연구에서 가장 도전적인 부분은 무엇이었습니까?

특대: 새로운 개념이 있을 때 때로는 너무 새롭다는 것이 현장에서 저항을 받기도 합니다. 예를 들어, 우리가 처음에 이것을 보조금 제안으로 제안하고 자금을 얻으려고 NIH에 보냈을 때 실제로 그 당시 사람들이 의심했기 때문에 그 제안은 거절되었습니다. 사람들은 이것이 효과가 있을 것이라고 생각하지 않았습니다. 그러나 운 좋게도 Susumu Tonegawa 박사의 강력한 지원으로 그는 이것이 좋은 생각이며 우리가 노력해야 한다고 말했습니다. 그리고 2년 안에 우리는 실제로 이 중에서 2개의 우수한 논문을 발표했습니다.

때로는 새로운 아이디어가 떠오를 때 약간의 저항에 직면하게 됩니다. 그것이 가능해지면서 전 세계의 다른 실험실 사람들이 이와 같은 실험을 하고 있습니다. 그래서 창문을 열면 창문을 열면 모두가 뛰어듭니다. 군중보다 먼저 생각해야 합니다. "다음에 무엇을 할 것인가?"를 생각해야 합니다. 분명히 똑같은 일을 할 수는 없습니다. 그렇지 않으면 재미있는 부분이 사라집니다. 새로운 목표, 작업할 새로운 영역을 식별해야 합니다.

SR: 과학자마다 이에 대한 철학이 다릅니다. Xu와 나는 치아에서 공포 기억을 재활성화하는 것을 특징으로 하는 우리의 경력을 보낼 수 있습니다. 그러나 우리에게는 지루할 것이라고 말하지는 않겠지만 더 이상 흥미롭지 않을 것입니다. 재활성화 부분이 끝나면 "뇌 영역 A, B, C, D, E, F, G에서 공포 기억을 재활성화할 수 있나요?"를 테스트할 수 있었습니다. 멍, 그게 커리어의 전부야. 어떤 사람들은 그렇게 합니다. 그러나 나와 Xu에게 다음 질문은 잘못된 기억 질문이었습니다. 자, 다음 질문은 긍정적 기억 질문, 우울증 질문, 사회적 기억 질문입니다.

이 기억이 어떻게 생겼는지에 대한 특성을 나타내는 작은 질문을 하는 것은 우리 스타일이 아닙니다. "이 분야를 연구하는 완전히 새로운 방법을 잠재적으로 열 수 있는 다음 큰 질문은 무엇입니까?" 정말 흥미진진합니다. 그것들은 어렵고 어렵고, 실행하기가 정말 어렵고 많은 저항이 있습니다. 절대적으로. 그러나 그것들은 당신이 현실과 긍정적인 접촉을 하고 무언가를 발견하고 당신이 그렇게 큰 질문을 할 때 당신에게 가장 큰 아드레날린의 충격을 주는 것들입니다.

AW: 더 추가하고 싶은 것이 있습니까?

SR: 내가 누구에게나 조언하고 싶은 한 가지는 우리가 던졌고 어느 정도 생쥐에서 실행된 이 겉보기에는 공상과학적인 질문이 거대한 협력의 결과라는 것입니다. 오늘날 학업 환경이 얼마나 경쟁적이고 열악한지 알지만 꼭 그런 것은 아닙니다. 이 프로젝트들이 진행되는 속도로 진행되는 이유는 Xu와 제가 팀 플레이어이기 때문입니다. 우리는 이 두 프로젝트를 위해 서로를 많이 도왔습니다. 그것은 거대하고 팀 지향적인 노력이었습니다. 그것이 무엇보다도 재미있었고 두 배는 더 빨라졌습니다. 두 개의 두뇌가 하나보다 낫습니다. 이제 이 프로젝트를 진행하는 전체 팀이 있습니다. 그 일을 하는 것이 너무 즐거웠기 때문에 남은 경력 동안 그 팀 지향적인 정신을 이어가고 싶습니다.

특대: 당신은 당신 자신의 작은 비밀을 붙잡을 수 있지만, 당신은 단지 그 동안만 그것을 붙잡을 수 있습니다. 소위 "팀 X"가 엄청나게 확장되고 있습니다. [여기], 비슷한 방법을 사용하면서도 우리가 한 번도 생각해 본 적 없는 질문이나 질문을 창의적으로 하는 사람들이 있습니다. 모두가 기발한 아이디어를 가졌지만 아이디어를 하나로 모으면 협업할 수 있고 더 많은 흥미진진한 순간을 만들 수 있습니다.

공개: Anne West는 이전에 Xu Liu’s Lab에서 인턴으로 근무했습니다.


쥐에서 확인된 강박적 음주와 관련된 뇌 회로

알코올 중독의 정의적인 특징은 부정적인 결과에도 불구하고 강박적인 음주입니다. 미국인의 30%는 일생의 어느 시점에서 임상적으로 정의된 알코올 사용 장애(AUD)를 경험합니다. 절반 이상이 회복되지만 미국에서만 수백만 명의 사람들이 평생 알코올 중독으로 고생하고 있습니다. &ldquo알코올 사용 장애와 과도한 음주는 아편제보다 더 많은 사람을 죽입니다&rdquo는 텍사스 대학교 오스틴에 있는 신경약리학자인 Kimberly Nixon이 말합니다. &ldquo사람들은 그것을 잊어버리는 경향이 있습니다.&rdquo

대부분의 사람들은 과음 또는 폭음에도 AUD가 발생하지 않지만 장기간의 강박 음주에 대한 취약성을 결정하는 요인에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. Vanderbilt 대학의 약리학자 Cody Siciliano와 Salk 생물학 연구소의 신경과학자 Kay Tye가 주도한 새로운 연구는 마우스 모델에서 강박적 음주를 제어하는 ​​신경 회로를 설명합니다. 이 회로의 활동은 기회가 주어졌을 때 부정적인 결과에도 불구하고 어떤 쥐가 계속 술을 마실지를 몇 주 전에 예측합니다.이 연구는 강박적 음주에 대한 감수성에 대한 뇌 기반 &ldquobiomarker&rdquo를 확인하는 것 외에도 AUD 및 일반적으로 물질 사용 장애에 대한 치료제 개발을 위한 잠재적인 새로운 표적을 보여줍니다.

목요일에 발표된 연구에서 과학, 연구원들은 먼저 소리를 튜브를 통해 인클로저로 전달하는 것과 연관시키도록 생쥐를 훈련했습니다. 다음으로, &ldquoprebinge&rdquo 단계에서 연구원들은 설탕을 알코올로 대체했습니다. 그들은 나중에 동물들에게 퀴닌과 혼합된 알코올을 주었습니다(쓴 맛이 나며 처벌 또는 &ldquo혐오적인&rdquo 결과로 사용됨). &ldquobinge&rdquo 단계 동안 마우스는 알코올에 접근할 수 없었거나 하루에 2~4시간 동안 물과 알코올에 무제한으로 접근할 수 없었습니다. 마지막 &ldquopostbinge&rdquo 단계에서 마우스에게 다시 알코올을 제공한 다음 알코올과 퀴닌을 추가로 제공했습니다. 연구팀은 폭식 후 알코올 섭취량에 따라 쥐를 그룹으로 나눴다. &ldquo낮은 음주자&rdquo는 술을 거의 마시지 않은 반면, &ldquo높은 음주자&rdquo는 처음에 많이 마셨지만 퀴닌이 다시 도입된 후에는 그렇지 않았습니다. 세 번째, &ldquocompulsive&rdquo 그룹은 술을 많이 마셨고 추가된 퀴닌에 의해 연기되지 않았습니다. 연구원들은 또한 처벌로 가벼운 충격을 사용했고 유사한 음주 패턴을 보았고 이러한 차이가 퀴닌에만 국한되지 않음을 보여주었습니다.

Tye와 그녀의 동료들은 두 뇌 영역이 강박적 음주에 역할을 한다고 의심했습니다. 내측 전전두엽 피질(mPFC)은 행동 제어 및 판단 및 의사 결정과 같은 기타 "집행" 기능(약물 및 알코올 사용 장애에서 손상됨)과 관련된 상위 뇌 영역입니다. dPAG(dorsal periaqueductal gray)는 통증에 대한 역할로 가장 잘 알려진 뇌간 영역이지만, Tye와 다른 사람들은 이전에 mPFC를 dPAG에 연결하는 뉴런이 혐오감을 경험한다는 것을 보여주었습니다. 새로운 연구에서 팀은 칼슘 영상이라는 첨단 영상 기술을 사용하여 prebinge 단계가 시작될 때 수백 개의 &ldquomPCF-dPAG&rdquo 뉴런의 활동을 시각화했습니다.

이 단계에서 알코올 섭취량에는 강박쥐와 다른 그룹 간에 차이가 없었지만 뚜렷한 신경 활동을 보였다. 쥐가 술을 처음 핥는 동안 mPFC-dPAG 뉴런의 활동은 연구의 후기 단계에서 행동이 실제로 나타나기 3주 전에 어떤 쥐가 강박적인 음주를 하게 될지 예측했습니다. 연구에 참여하지 않았지만 같은 호에 첨부된 논평을 쓴 Nixon은 &ldquo그게&rsquos는&rsquos는 매우 흥미진진합니다&rdquo는 말합니다. 과학. &ldquo이것은 동물과 mdash아마도 사람에 있는 약간의 개인차이며, 이는 곧 심각한 증상을 일으키게 합니다.&rdquo

강박성 쥐는 다른 쥐에 비해 흥분성 쥐보다 억제성 또는 제동성 신호의 비율이 더 높았습니다. 연구자들은 이러한 뇌 활동 패턴이 mPFC-dPAG 회로에서 혐오 신호의 전송을 방해하여 처벌에 대한 민감도를 감소시킨다고 생각합니다. 이러한 방식으로 회로가 동작을 제어한다는 것을 증명하기 위해 그들은 광유전학이라는 기술을 사용하여 mPFC-dPAG 뉴런을 빛을 사용하여 제어할 수 있게 했습니다. 그들은 회로를 "끄면" 강박적인 음주가 증가하는 반면(쥐는 퀴닌을 더 무시함), 회로를 켜는 것은 처벌을 모방하고 알코올 섭취를 줄이는 것으로 나타났습니다. &ldquo술을 지속적으로 줄이면 정말 신나는 일입니다.&rdquo Tye는&mdash&ldquot어떤 학습 또는 플라스틱 변화가&rsquos 특정 날짜 이후에 지속된다는 생각이&rdquo라고 말합니다.&rdquo

mPFC-dPAG 뇌 회로는 치료의 새로운 표적을 나타냅니다. &ldquo이 뇌간 영역은 매우 간과되어 왔습니다&rdquo Nixon은 말합니다. &ldquo그것은&rsquo우리가 고려한 회로이며, 우리가 볼 수 있는 새로운 약리학적 제어 시스템을 가질 가능성이 있습니다.&rdquo Tye와 동료들이 시작했습니다. &ldquo우리는&rsquo로 약물 가능한 표적&mdash회로에 고유한 세포 표면의 소분자 수용체를 찾고 있습니다.&rdquo 그녀는 말합니다. &ldquo미래에 우리가 이 회로에서 시냅스 가소성을 유도할 수 있다면 잠재적으로 정신병 상태를 치료할 수 있을 뿐만 아니라 희망적으로도 치료할 수 있습니다.&rdquo부작용을 피하기 위해 회로 특정 신경 수용체를 식별하는 것이 중요할 것입니다.

그러나 많은 근본적인 질문이 남아 있습니다. 연구에 참여하지 않은 케임브리지 대학의 신경과학자 제프 댈리는 이 회로의 역할을 이해하기 위해 해야 할 일이 훨씬 더 많다고 말했습니다. &ldquo신경화학적 작용자는 무엇이며, 이러한 억제 및 흥분 신호의 특성은 무엇입니까?&rdquo 부정적인 결과로 퀴닌이나 충격을 사용하는 것이 인간 중독의 복잡한 심리적 현상과 얼마나 관련이 있는지도 명확하지 않습니다. 행위로부터의 시간. 그러나 Tye는 소비 장벽(예: 바 마감 또는 더 높은 가격)과 같은 유사점이 있다고 주장합니다. &ldquo그것은 강박적인 음주자가&rsquot에 대해 다시 생각하지 않을 즉각적인 처벌입니다&rdquo, 그녀는 말합니다.

그러나 주요 경고는 과학자들이 회로의 신호 인코딩과 예측 바이오마커의 존재 측면에서 쥐가 인간과 얼마나 유사한지 아직 모른다는 것입니다. &ldquo그것은&rsquo 우리가 지금 탐구해야 하는 무엇인가&rdquo Tye는 말합니다. 그럼에도 불구하고 &ldquo심지어 강박적인 음주의 발달을 예측하는 바이오마커가 뇌에 있을 수 있다는 아이디어는 우리가 매우 기쁘게 생각하는 큰 돌파구입니다.&rdquo


뉴런을 식별하고 제어하는 ​​새로운 도구

과학자들이 뇌를 연구하기 시작한 이래로 그들은 관찰한 생물학이 실제로 외부 행동과 관련될 수 있는지 질문해 왔습니다. 연구원들은 뉴런의 생물물리학적, 분자적, 세포적 상호작용에 대한 실질적인 이해를 구축하고 있지만 이러한 상호작용을 외부 행동과 직접적으로 연관시키는 것은 이 분야에서 진행 중인 과제입니다. "뉴런의 생물물리학적 특성은 꽤 잘 알려져 있습니다."라고 막스 플랑크 플로리다 신경과학 연구소(MPFI)의 연구 그룹 리더인 권형배 박사가 말했습니다. "우리가 잘 모르는 것은 이러한 연결과 통신이 우리의 행동을 유발하는 방법입니다."

이것은 권 박사와 그의 연구실이 완전히 새로운 방식으로 뇌를 살펴봄으로써 답하기 위해 설정한 야심찬 질문입니다. 저널에 발표된 연구에서 자연생명공학 2017년 6월, 이동민 박사 권 연구소의 박사 후 연구원인 현정호 박사는 뉴런을 식별하고 제어하기 위해 개발한 새로운 도구에 대해 설명합니다. 칼슘 및 광유도 유전자 처리 툴킷(Calcium and Light-Induced Gene Handling Toolkit) 또는 "Cal-Light"라고 불리는 이 새로운 기술을 통해 연구자들은 이전에 볼 수 없었던 특이성으로 행동의 기저에 있는 신경 활동을 관찰하고 조작할 수 있어 연구자들이 신경 활동과 행동 사이의 인과 관계를 식별할 수 있기를 바랍니다. .

지금까지 실시간으로 뉴런의 활동을 관찰하고자 하는 연구자들은 종종 칼슘 이미징이라는 기술을 사용했습니다. 이 기술은 능동적으로 발화하는 뉴런이 칼슘의 유입을 받는다는 사실을 이용합니다. 형광 염료로 칼슘 이온에 태그를 지정하면 실시간으로 발화하는 것을 더 쉽게 관찰할 수 있지만 특정 뉴런 집단에 연결되지는 않습니다.

신경 활동을 조작하기 위한 전통적인 칼슘 이미징과 최근의 광유전학 기술을 기반으로 하는 Cal-Light 시스템은 형광 유전자 발현을 활동 및 빛과 연결합니다. 뉴런은 발화하고 연구원이 특별한 빛을 비출 때에만 형광을 발합니다. 연구원이 빛을 끄면 뉴런은 형광을 멈추고 신호 대 잡음비와 시간적 특이성을 크게 증가시킵니다. 연구자들이 Cal-Light를 사용하여 특정 활동과 관련된 세포 집단을 식별하면 광유전학을 사용하여 해당 세포를 조작할 수 있습니다. 이를 통해 매우 정확한 방식으로 행동을 분석하고 인과 관계의 증거를 개발하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

Cal-Light 기술이 효과적인지 확인하기 위해 Dr. Kwon의 그룹은 먼저 세포 배양에서 이를 테스트한 다음 마우스 모델에서 생체 내에서 테스트했습니다. 이 모델에서 팀은 마우스가 자극에 대한 응답으로 보상을 받기 위해 레버를 눌렀을 때 발화하는 운동 피질의 뉴런 집단을 식별, 레이블 지정 및 조작하는 기술을 사용했습니다. 관심 뉴런이 식별되고 레이블이 지정되면 그의 팀은 뉴런 그룹을 광유전학적으로 억제하면서 마우스에 자극을 제시했습니다. 세포가 억제되었을 때 마우스는 더 이상 레버를 누르지 않았으며, 이는 마우스가 행동을 수행하는 데 이러한 세포의 활동이 필요함을 보여줍니다.

이 새로 개발된 기술은 특정 동작을 제어하는 ​​뉴런에 레이블을 지정하고 이를 제어하는 ​​수단을 제공함으로써 전례 없는 기회를 제공합니다. 권 박사에 따르면 "Cal-Light 기술은 복잡한 행동, 감각 및 인지의 기저에 깔린 신경 회로를 해부할 수 있는 기회를 제공하고 신경과학의 복잡한 질문에 접근하는 새로운 방법을 소개합니다."


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보상의 즐거운 연관성은 신경생물학적 혼합물에 글루타메이트를 추가하면 시냅스에 고정됩니다. 함께 발화하는 뉴런은 일반적으로 함께 연결됩니다. 글루타메이트는 이러한 시냅스 결합을 서로 붙게 만드는 접착제로 보입니다. 내 책에서, 선수의 길, 나는 글루타메이트를 “함께 시냅스를 그어주는 글루타메이트라는 단백질이 있다. 글루타메이트 결합은 용해되기 어렵습니다."

결론: 글루타메이트 의존성 결합을 끊는 것은 중독 치료를 위한 단서가 됩니다

신경 과학자들이 글루타메이트가 신경망을 어떻게 연결하는지 알아낼 수 있다면 동기, 욕망, 쾌락 추구 행동 및 중독에 대한 이해를 크게 향상시킬 것입니다. 이 연구는 보상 중심 행동에 대한 더 나은 인지 요법과 중독에 대한 잠재적인 약물 치료로 이어질 수 있습니다.


사람의 마음의 열쇠는 배에 있다고 합니다. 생물학적으로 더 정확한 비유는 장이 심장이 아니라 뇌에 대한 몇 가지 열쇠를 갖고 있다는 것입니다. 놀랍게도 장은 감각 정보를 처리하고 행동을 생성하는 뇌의 능력을 변경할 수 있습니다. 이것은 장 호르몬이 혈류로 방출되어 중추 신경계로 들어가 뇌 활동을 변화시킴으로써 이루어집니다. 따라서 대중의 믿음과 달리 뇌와 몸은 분리할 수 없는 장벽으로 서로 격리되어 있지 않으며 유기체 전체의 필요를 충족시키기 위해 정교하게 조절된 대화에 참여하고 있습니다.

동물의 뇌는 엄청난 양의 감각 정보를 받아들이고 중요하지 않은 정보를 걸러내고 적절한 행동 반응을 생성하는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 우리는 일반적으로 뇌가 외부 세계에서 오는 감각 정보를 처리하는 방법에 대해 생각하지만 유기체 내부에서 생성된 신호를 끊임없이 선별하기도 합니다. 우리의 눈, 귀 및 기타 감각 기관은 외부에서 일어나는 일에 대한 정보를 뇌에 전달하는 반면, 신체에서 생성되는 다양한 신호는 내부에서 일어나는 일에 대한 정보를 전달합니다. 예를 들어 포도당 및 인슐린과 같은 분자를 포함한 다양한 대사 신호는 신체의 필요에 대한 정보를 중추 신경계에 전달합니다. 이러한 유형의 뇌-신체 상호 작용은 우리가 느끼는 배고픔 또는 포만감을 조절하여 궁극적으로 이러한 요구를 충족시킬 행동을 촉진합니다. 이러한 방식으로 "신체의 지혜"는 유기체가 적절한 내부 균형 또는 항상성을 유지하기 위해 행동하도록 돕습니다[].

분비된 장 호르몬은 뇌와 행동에 영향을 미칩니다

배고픔과 포만감을 조절하는 데 관여하는 가장 유명한 두 가지 호르몬은 그렐린과 렙틴입니다(유용한 그래픽은 [] 참조). 위는 신체가 열량 에너지를 필요로 할 때 그렐린을 분비합니다. 실험 동물에 그렐린을 주사하면 정맥 주사할 때 음식을 찾는 행동이 나타나며, 사람들은 배가 부르더라도 배고픔을 느낀다고 보고합니다. 신경 영상 연구에 따르면 그렐린과 같은 장 호르몬은 특히 음식과 관련하여 뇌가 감각 정보에 반응하는 방식을 변화시키는 것으로 나타났습니다[]. 한 실험에서 참가자들은 뇌 스캐너에 들어가기 전에 통제된 아침 식사를 먹기 전에 밤새 금식해야 했습니다. 일단 내부에 들어가면 기본 측정을 ​​수행하는 동안 식품 및 비식품 품목의 사진이 표시되었습니다. 그런 다음 배고픔 촉진 호르몬인 그렐린이나 식염수(배고픔에 영향을 미치지 않음)를 투여하고 새로운 이미지 세트를 보여주었습니다. 중요한 것은 참가자들이 어떤 주사를 맞았는지 알지 못했다는 것입니다. 결과: 그렐린 주사를 받은 피험자들은 보상 처리 및 동기 부여와 관련된 뇌 영역에서 향상된 반응을 나타내었지만 음식 이미지에만 반응했습니다. 이것은 특정한 신체 요구가 특히 그러한 요구와 관련된 자극에 대한 반응으로 뇌 활동에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다. 실험 동물에 대한 작업이 뒷받침하는 기본 아이디어는 그렐린과 같은 호르몬에 의해 유발된 배고픔 상태가 환경에서 특정 유형의 항목인 음식을 찾도록 동기를 부여하는 방식으로 뇌의 보상 처리를 변경한다는 것입니다.

그렐린과 달리 장에서 유래한 호르몬인 렙틴은 지방 조직에서 분비되어 포만감 신호로 작용합니다. 기본적으로 몸이 뇌에 "이제 배부르다. 음식 찾는 건 그만둬.” 렙틴 또는 그 수용체를 코딩하는 유전자가 결핍된 동물은 탐욕스러운 섭식 행동을 보이며 병적 비만이 발생합니다(그림 1). 렙틴은 활발하게 뇌로 전달되어 뇌 세포에 직접 영향을 미칩니다. 식이 유발 비만이 있는 동물은 2형 당뇨병과 관련된 인슐린 저항성과 유사한 렙틴 저항성을 나타냅니다[]. 이것은 신체가 식사 후 순환하는 렙틴의 증가에 더 이상 정상적으로 반응하지 않는다는 것을 의미합니다. 그러나 과학자들이 렙틴을 뇌에 직접 전달하면 동일한 동물이 정상적인 반응을 보입니다(섭식 감소). 이것은식이 요법으로 인한 비만이 이러한 호르몬을 뇌로 전달하는 데 결함이 있을 수 있음을 시사합니다. 다시 말해, 신체는 더 이상 적절한 행동 반응을 생성하기 위해 뇌와 소통할 수 없습니다. "그만 먹어!"


그림 1: 정상 마우스(우)에 비해 렙틴 결핍 마우스(좌)는 과도한 음식섭취와 식이성 비만을 보인다. Wikimedia Commons의 이미지.

장에서 파생된 배고픔과 포만감 호르몬을 뇌에 직접 적용한 결과 이러한 분자가 다양한 뇌 과정에서 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 여기에는 음식 추구 행동의 조절뿐만 아니라 보상 처리, 신경 발생, 학습 및 기억도 포함됩니다. 이처럼 광범위한 뇌 기능에 대한 말초 장 호르몬의 효과가 처음에는 이상하게 보일 수 있지만, 야생 동물에게 음식을 찾는 것이 인지적으로나 행동적으로 얼마나 힘든지 생각해보면 이해가 되기 시작합니다. 그렐린 및 렙틴과 같은 호르몬이 중추 신경계 기능에 미치는 광범위한 영향은 잠재적인 임상적 관련성이 있으며, 이는 그렐린 분비의 중단을 통해 비만 퇴치를 목표로 하는 치료법이 지방 저장 및 대사 이상의 부작용이 있을 수 있음을 시사합니다[].

연관 학습과 식사 동기: 비만에 대한 시사점

비만과 당뇨병을 포함한 다양한 섭식 및 대사 장애는 미국과 같은 국가에서 점점 더 널리 퍼졌습니다. 식이성 비만은 개인에게 다양한 기타 건강 문제를 일으키고(그림 2), 사회에 막대한 경제적 부담을 준다[]. 왜 이런 일이 일어났는지에 대한 한 가지 잠재적인 설명은 입맛에 맞는 음식이 풍부한 곳에서는 일반적으로 우리의 열량 요구가 충족되고 섭식 행동은 항상성(“나는 이것이 필요합니다”)보다는 쾌락(“나는 이것을 좋아합니다”) 이것”) 요인. 칼로리 밀도가 높고 영양이 부족한 음식은 쉽게 구할 수 있으며, 우리는 음식 "보상"과 연관시키는 법을 배운 로고와 광고의 광경과 소리에 자주 노출됩니다. 우리의 두뇌가 연상을 통해 학습하도록 연결되어 있는 방식에 따라, 이러한 음식 예측 감각 신호는 우리의 칼로리 요구 사항이 이미 충족된 경우에도 배고픔과 갈망을 유발합니다.


그림 2: 다이어트로 인한 비만은 개인이 다양한 의학적 합병증을 일으키기 쉽습니다. 의 이미지

식품과 비식품 품목 간의 학습된 연관성은 매우 구체적인 섭식 행동을 유발할 수 있습니다. 예를 들어, 쥐는 어조와 같은 간단한 자극을 음식 보상과 연관시키도록 훈련될 수 있습니다. 특정 음식에 대해 음조를 반복적으로 제시하면 '단서 유발 섭식'으로 알려진 현상이 발생합니다. 동물이 해당 음조를 음식 보상과 연관시키는 법을 배운 후에는 음조 자체가 완전히 먹이를 찾는 행동을 유도합니다. 먹이를 준 쥐[]. 또한 쥐가 먹는 동안 신호를 표시하면 소리가 없을 때보다 더 많이 소비하게 됩니다. (직장에서 우리가 가장 좋아하는 패스트푸드점과 관련된 광경, 소리 또는 냄새를 접할 때 유사한 현상을 상상하는 것은 어렵지 않습니다.) 흥미롭게도 이 효과는 음색과 관련된 음식에만 적용됩니다. 다른 유형의 음식이 제공되면 쥐는 신호가 있는 곳에서 더 많이 먹지 않습니다. 따라서 간단한 감각 자극은 매우 특정한 음식 '갈망'으로 보이는 것을 이끌어낼 수 있습니다. 당연히 식품 산업은 많은 식품을 생산하고 판매할 때 감각 관련 연관성을 만드는 뇌의 자연스러운 경향을 이용합니다. 우리는 먹습니다(이 주제에 대한 짧은 비디오는 [] 참조).

쉽게 접근할 수 있고 매우 보람 있는 식품이 있음을 알려주는 감각 신호가 거의 끊임없이 쏟아지는 상황에서 식이 요법으로 인한 비만 및 대사 장애의 증가하는 전염병을 억제할 희망이 있습니까? 한 가지 접근 방식은 과식을 줄이는 데 도움이 되는 간단한 생활 전략을 강조하고 촉진하는 것입니다. 여기에는 충분한 수면을 취하는 것부터[] 먹고 싶은 욕구가 진정한 신체 필요의 결과인지 아니면 단순히 "감각적 허기"[]인지 여부를 측정하기 위해 의식적으로 노력하는 것까지 모든 것이 포함됩니다. 연구자들이 이제 막 탐구하기 시작한 또 다른 아이디어는 음식 신호에 대한 뇌의 반응성에 영향을 미치는 치료법을 개발하는 것입니다. 배고픔과 포만감이 어떻게 그렐린과 렙틴과 같은 신호가 뇌로 들어가 뇌의 활동 패턴에 영향을 미치는지 이해함으로써, 우리는 감각 신호(예: 광고로). 다시 말하지만, 이 연구 라인은 초기 단계에 있습니다. 그러나 적어도 이것은 생각을 위한 맛있는 음식으로 제공되어야 합니다.


모듈 5A: 탐구 기반 학생 실험을 위해 C. elegans와 함께 광유전학 사용

이 비디오에서 Heather Rhodes와 그녀의 학부생들은 광유전학을 사용하여 탐구 기반 실험실 운동의 결과를 설정, 수행 및 해석하는 방법을 보여줍니다. C. 엘레간스. 특히 Rhodes는 다음을 수행합니다.

  • 학부생을 대상으로 탐구 기반 광유전학 실험을 실행하기 위해 간단하고 저렴한 장비를 조립하는 방법을 설명합니다.
  • 운동 행동을 조작하기 위한 광유전학 자극을 시연합니다. C. 엘레간스 그녀의 학생들과 함께.

이 비디오를 보고 나면 학부 및 고등학생을 위한 실험실 실습에 광유전학적 접근 방식을 통합하는 방법을 더 잘 이해할 수 있을 것입니다.

8개 모듈 모두에 대한 커뮤니티 포럼을 방문하여 통찰력과 모범 사례를 공유하고, 질문을 하고, 다른 교육 시리즈 참가자와 교류하십시오.

스피커


우리가 광유전학으로 제어하거나 유도할 수 있는 가장 구체적인 행동은 무엇입니까? - 생물학

광유전학의 포괄적인 검토.

광유전학(Optogenetics)은 시험관 내 또는 시험관 내에서 높은 시간적, 공간적 정밀도로 세포의 활동을 조작하기 위해 빛을 사용하는 기술입니다. 생체 내. 개별 세포 유형을 선택적으로 표적화하고 생물학적으로 관련된 시간 단위(밀리초)에 걸쳐 이들의 활성을 켜고 끌 수 있도록 함으로써 광유전학은 약물이나 병변을 사용하여 달성할 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 정도의 특이성과 제어를 제공합니다. 2010년 네이처는 광유전학을 '올해의 방법'으로 선정했으며 사이언스는 이를 지난 10년간의 획기적인 발전 중 하나로 분류했습니다. 그렇다면 광유전학은 왜 그토록 많은 관심을 불러일으켰을까요?

1999년, DNA로 유명한 Francis Crick은 샌디에이고에 있는 캘리포니아 대학에서 일련의 강의에서 빛을 사용하여 개별 뉴런 하위 유형의 활동을 정확하게 제어하는 ​​것이 가능해야 한다고 제안했습니다. 그 당시에는 이것이 어떻게 달성될 수 있는지 명확하지 않았지만 연구원들이 눈에서 작동하는 일부 프로세스를 모방하는 방법을 연구했을 때 불과 몇 년 후에 답이 나왔습니다.

망막은 광수용기의 도움으로 빛을 감지합니다. 광수용기는 광자의 에너지를 신경 활동을 수정할 수 있는 화학 신호로 변환합니다. 광수용체에는 로돕신이라는 색소가 포함되어 있으며(그림 1), 옵신(7-횡단 나선 단백질)과 레티날이라는 보조인자로 구성되어 있으며, 이는 7번째 나선의 특정 라이신 잔기에 결합합니다. 광자의 흡수는 레티날을 이성질체화하여 11-시스-레티날에서 전체-트랜스-레티날로 전환합니다. 이것은 옵신의 구조적 변화(표백이라고 함)를 유도하여 G-단백질 결합 신호 전달 캐스케이드의 활성화로 이어집니다.

많은 연구자들이 이 시스템이 빛을 사용하여 신경 활동을 제어할 수 있도록 조정될 수 있는지 묻기 시작했습니다. 당시 Yale의 Gero Miesenböck와 동료들은 초파리의 광변환에 필수적인 것으로 보이는 세 가지 단백질, 즉 로돕신, 어레스틴-2 및 동족 이종삼량체 G 단백질의 알파 소단위를 확인했습니다. 그들이 이 세 가지 단백질("chARGe"라고 부름)을 인코딩하는 유전자를 배양된 해마 뉴런에 도입했을 때 뉴런은 백색광에 노출될 때 활동 전위를 발화했습니다. 그러나 빛 노출과 활동 전위 발화 사이의 시간 지연은 매우 가변적이었고(수백 밀리초에서 수십 초 범위) 3개 유전자 시스템은 조작하기가 상대적으로 복잡했습니다[6].

2005년 Stanford 대학의 Karl Deisseroth와 Ed Boyden이 단 하나의 구조를 사용하여 세포를 빛에 민감하게 만드는 방법을 찾았을 때 돌파구가 생겼습니다. 특정 단세포 조류가 원형질막을 가로지르는 이온의 흐름을 제어하기 위해 빛을 사용한다는 것은 1970년대 이후로 알려져 있었지만, 연구자들은 2003년이 되어서야 이것을 담당하는 단백질을 다음에서 확인했습니다. 클라미도모나스 레인하르티 (그림 2.) [7]. Nagel et al은 조류가 청색광에 의해 직접 게이트되는 channelrhodopsin-2(ChR2)라고 하는 비선택적 양이온 채널을 발현한다는 것을 입증했습니다. Deisseroth와 Boyden의 해결책은 ChR2를 포유류의 해마 뉴런에 도입하는 것이었습니다. 시험관 내 그리고 이 세포에 푸른 빛을 비추면 1-2밀리초 후에 세포가 발화된다는 것을 보여줍니다. 불을 끄면 세포가 발화를 멈추고 뉴런 활동을 제어하는 ​​간단하고 효과적인 수단을 제공합니다[8].

채널로돕신의 결정 구조는 2012년 초에 해결되었다[9]. 척추동물 로돕신과 마찬가지로 ChR2는 감광성 단백질 옵신과 결합된 보조인자 레티날로 구성됩니다. 그러나 로돕신과 달리 ChR2는 대신 G-단백질 매개 신호 전달 캐스케이드에 결합되지 않고 ChR2는 이온 채널을 직접 통합하여 빛에 훨씬 더 빠르게 반응할 수 있습니다.

뉴런이 쉬고 있을 때 세포 내부는 외부에 비해 음전하를 띤다. 이것은 멤브레인을 가로질러 대략 -70mV(휴지 전위)의 전위차를 생성합니다. 신경막의 ChR2가 청색광으로 비춰지면 all-trans-retinal이 13-cis-retinal로 이성질체화되고 이러한 구조적 변화는 ChR2 양이온 채널을 엽니다. 양전하를 띤 이온이 세포로 흘러들어가 탈분극화됩니다(막을 가로지르는 전위차가 덜 음이 됨). 탈분극이 임계 임계값에 도달하면 일련의 사건이 시작되어 궁극적으로 세포가 활동 전위(스파이크)를 발생시킵니다. 청색광을 끄면 13-cis-retinal이 빠르게 all-trans-retinal로 되돌아가 채널을 닫고 세포를 재분극시킵니다.

첫 번째 개념 증명 실험 이후, Deisseroth와 Boyden은 전 세계 수백 개의 실험실에 광유전학적 구조를 제공했으며 이 기술의 사용은 계속해서 증가하고 있습니다. 예를 들어, Zhang X et al은 비장에서 체액성 면역 반응의 신경 조절을 연구하기 위해 AAV2/9-EF1α-DIO-ChR2-mCherry를 마우스의 편도체 중심 핵과 뇌실 주위 핵에 주입했습니다[10]. Siciliano CA et al은 AAV5-DIO-ChR2-eYFP를 마우스 내측 전전두엽 피질에 주입하여 강박적인 알코올 음주를 연구했습니다[11]. Nakashima A et al은 후각 지도 형성을 조사하기 위해 후각 감각 뉴런 특이적 ChR2 마우스를 생성했습니다[12]. Marshel JH et al은 해양 미생물 Eukaryote Transcriptome Sequencing Project의 기능적 메타게놈 스크리닝을 통해 종에서 red-shifted channelrhodopsin, ChRmine을 발견했습니다. 티아리나 푸서스 지각 중 피질층에 특정한 역학 연구를 위해 LIS를 변형 [13]. ChRmine은 두개내 수술 없이 심부 뇌 신경 회로를 활성화하는 데 사용되었습니다[14].

Arabidopsis red light-inducible phytochrome(PHYB-PIF) 시스템과 정밀한 조명 조명을 사용한 세포 내 단백질 위치의 가역적 광유전학적 제어는 제브라피쉬 배아[15]에서 설명되었으며 역학을 연구하는 데 사용된 optoSOS라는 프로토콜로 개발되었습니다. 정상 세포와 암세포에서 Ros-Erk 신호 전달의 영향 [16].

  1. 구성을 설계합니다. 감광성 옵신을 암호화하는 유전자(예: ChR2, 현재 다른 여러 제품이 있으며 각각 고유한 특성을 가짐)는 원하는 시간과 장소에서 발현을 지시하는 프로모터의 제어 하에 있어야 합니다.
  2. 세포에 구조를 소개합니다. 시험관 내 실험의 경우, 이것은 형질감염을 통해 달성할 수 있습니다(예: 전기천공법 또는 인산칼슘을 사용하여 구조물이 통과할 수 있는 세포막에 '구멍'을 만들거나 구조물을 리포솜 내부에 배치하여 막과 융합하고 내용물을 세포로 방출). 을위한 생체 내 작업에서 구성체는 일반적으로 바이러스에 포장된 다음 표적 영역에 주입됩니다(바이러스 형질도입). 또는 특정 프로모터의 제어 하에 옵신을 발현하는 형질전환 마우스를 생성(또는 일부 경우에 구입)할 수 있습니다.
  3. 광원을 선택합니다. 을위한 생체 내 실험에서 이것은 일반적으로 정확한 영역에 빛을 전달할 수 있도록 광섬유 케이블에 결합된 LED 또는 레이저입니다.
  4. 세포 활동을 조작하는 효과를 측정합니다. 선택한 방법은 실험의 특정 목표에 따라 다르지만 몇 가지 예를 들면 전기생리학적 기록, 칼슘 이미징, 광학 fMRI, 분자 생물학 또는 행동 테스트와 같은 기술이 포함될 수 있습니다.

ChR2는 여전히 광유전학 툴킷의 주류이지만 특정 속성을 갖도록 설계된 여러 가지 추가 변형도 있습니다. 여기에는 청색광이 아닌 적색 편이에 의해 활성화되는 ChR2의 더 강력한 버전인 채널로돕신의 ChR1/VChR1 계열과 칼슘 증가로 인해 응답 시간이 빨라지고 광 감도가 더 높은 변종인 CatCh가 포함됩니다. 투과성 [17, 18]. Venkatesh HS 등은 신경아교종의 광유전학적 탈분극을 연구하기 위해 ChR2-YFP 렌티바이러스 벡터(pLV-ef1-ChR2(H134R)-eYFP WPRE)를 SU-DIPG-VI 및 SU-DIPG-XIII-FL 세포에 형질도입했습니다[19]. 다른 파장에 민감한 채널로돕신의 존재는 여러 세포 집단(각각 다른 옵신을 발현함)의 활성이 동시에 조작될 수 있는 조합 실험을 수행하는 것을 가능하게 합니다. 적색편이광에 대한 감도는 파장이 길수록 덜 산란되는 경향이 있어 조직 깊숙이 침투할 수 있기 때문에 특히 중요합니다.

ChR2의 빠른 활성화 및 비활성화 역학은 일부 실험에서 유리하지만 다른 연구에서는 장기간에 걸쳐 안정적인 신경 활성화가 필요합니다. ChR2를 사용하여 이를 달성하려면 과열로 인한 손상으로 이어질 수 있는 조직의 긴 조명이 필요합니다. 이 문제를 극복하기 위해 단계 함수 옵신(SFO)으로 알려진 옵신 클래스가 개발되었습니다. 파란색 빛의 단일 펄스는 SFO 채널을 열린 상태로 전환하고, 빛이 꺼지면 최대 1분 동안 유지됩니다(또는 노란색 빛의 단일 펄스로 채널이 닫힐 수 있음). SSFO(Stabilized Step-Function Opsin)는 이 원리를 더욱 확장하여 짧고 강도가 낮은 빛의 펄스만 사용하여 뇌 표면 아래 몇 밀리미터의 뉴런을 안정적으로 활성화할 수 있습니다. SSFO의 채널 비활성화 시간 상수는 대략 29분입니다[20]. 대조적으로, ChETA 계열[21] 및 ChIEF[22, 23]와 같은 ChR2의 다른 변이체는 뉴런이 ChR2에서 가능한 것보다 더 높은 주파수에서 발화하도록 촉발되도록 합니다.

뉴런 발화를 억제하기 위해 할로박테리움 Natronomonas pharaonis에서 파생된 할로로돕신(NpHR)이라고 하는 빛에 민감한 내부 염화물 채널을 사용할 수 있습니다. 노란색 빛으로 조명되면 NpHR은 염화물 이온을 세포로 전도하여 과분극됩니다. 오늘날 대부분의 실험은 NpHR보다 더 큰 광전류와 더 효과적인 막 과분극을 생성하도록 돌연변이된 eNpHR3.0으로 알려진 '향상된' 할로로돕신을 사용합니다. 예를 들어, Siciliano CA et al은 등쪽 수도관 회색에서 광억제를 달성하기 위해 마우스 내측 전전두엽 피질에 전방으로 수송하는 AAV5-CaMKIIα-eNpHR3.0-eYFP를 주입했습니다[11]. 대안적인 옵션은 빛으로 활성화된 바깥쪽 양성자 펌프를 사용하는 것인데, 이것의 아르카에로돕신(Arch) 활성화는 양성자의 바깥쪽 플럭스를 유도하여 다시 세포를 과분극화합니다[24, 25]. 채널로돕신의 돌연변이는 또 다른 억제성 감광성 염화물 채널인 iChloC[26]의 생성으로 이어졌으며 iChloC는 N Kataoka et al[23]에 의해 사용되었습니다.

Haloarcula(Halobacterium) salinarum(변종 상어)에서 파생된 적색 편이 크룩할로로돕신인 Jaws도 개발되어 더 많은 적색광을 투과하여 광학적 활성화를 가능하게 합니다[27]. 예를 들어 Kim J 등은 신경 침묵을 위해 Long Evans 쥐의 UNC Viral Core에서 AAV8-hSyn-Jaws-KGC-GFP-ER2를 주입했습니다[28].

그러나 빛으로 제어할 수 있는 것은 이온 채널 뿐만이 아닙니다. OptoXR을 사용하여 세포 내 신호 전달 캐스케이드를 활성화하거나 억제할 수 있습니다. 이들은 로돕신 단백질의 세포내 루프가 다른 G-단백질 결합 수용체의 세포내 루프로 대체된 옵신-수용체 키메라입니다. 이것은 G-단백질 매개 신호전달 캐스케이드를 세포 내에서 켜고 끌 수 있게 하여 이온 채널의 광 유도 개방 및 폐쇄로 인한 결과보다 잠재적으로 더 생리학적으로 관련된 세포 활동 패턴을 이끌어냅니다.

선택한 옵신은 세포에서 발현을 유도하는 프로모터의 제어 하에 있어야 합니다. 가장 간단한 접근법은 신장 인자 1α(ELF-1α), 시냅신, 거대세포바이러스(CMV) 또는 CAG와 같은 강력한 유비쿼터스 프로모터의 다운스트림에 옵신을 배치하는 것입니다. 이것은 구조가 존재하는 거의 모든 세포 유형에서 강력한 옵신 발현을 제공합니다. 또는 전뇌 피라미드 뉴런에서 발현되는 α-칼슘/칼모듈린 의존성 키나제 II(αCamKII)와 같은 세포 유형 특이적 프로모터를 사용하여 옵신 발현을 보다 정확하게 표적화할 수 있습니다. 그러나 이러한 프로모터의 발현은 유비쿼터스 프로모터의 발현에 비해 상대적으로 약할 수 있습니다.

  • 전기천공 또는 바이러스 벡터. 의 대다수 생체 내 실험은 프로모터-옵신 ​​구조를 도입하기 위해 바이러스 형질도입을 사용합니다. 전체 구성이 바이러스에 포장되어야 하기 때문에 이것은 프로모터의 크기를 제한합니다. 가장 일반적으로 사용되는 바이러스는 아데노 관련 바이러스(AAV)와 렌티바이러스입니다. 약 5kbp(킬로염기쌍) 가치의 유전 물질을 AAV에 패키징할 수 있는 반면, 렌티바이러스는 약 8kbp를 보유할 수 있습니다. 그러나 AAV는 숙주 세포의 세포질에서 DNA를 복제할 수 있다는 장점이 있습니다. 예를 들어, Hirokawa J 등은 EF1a-DIO-ChR2-EYFP32 또는 hSyn-DIO-를 보유하는 아데노 관련 바이러스 2/9 혈청형을 주사했습니다.끄다on 및 CAV2-Cre 4.1E12를 쥐의 선조체 또는 안와전두피질에 삽입합니다[29]. Zhang J et al은 신맛 센싱을 연구하기 위해 AAV-DIO-ChR2 또는 AAV-DIO-GFP를 특정 영역에 주입했습니다[30]. Szőnyi A et al은 맥락 기억 형성에서 뇌간 핵 인서투스 GABAergic 세포의 역할을 연구하기 위해 Penn Vector Core의 AAV2/5-EF1α-DIO-hChR2(H134R)-eYFP를 마우스 뇌 영역에 주입했습니다. 대조적으로, 렌티바이러스는 유전 물질(RNA 형태)을 숙주 게놈에 통합해야 하며, 이는 때때로 숙주 유전자의 유해한 파괴를 초래할 수 있습니다.
    바이러스는 정위 주입에 의해 표적 조직에 도입되어 많은 세포를 감염시킵니다. 그러나 선택된 프로모터를 발현하는 것들만이 옵신 단백질을 제조할 것입니다.
  • Cre 재조합 시스템 사용
    세포 유형 특이적 프로모터를 사용할 때의 단점 중 하나는 이들이 상대적으로 낮은 수준의 유전자 발현을 유발할 수 있다는 것입니다. 강력한 세포 유형별 유전자 발현을 달성하는 다른 수단은 강력한 유비쿼터스 프로모터의 사용과 Cre 재조합효소 드라이버 마우스의 사용을 결합하는 것입니다. 이것은 프로모터의 활성화를 원하는 세포 유형으로 제한할 것입니다. Cre 재조합효소 시스템에 대한 전체 논의는 이 검토의 범위를 벗어납니다. 그러나 간단히 말해서 Cre 재조합효소는 loxP 부위로 알려진 두 DNA 인식 서열 사이의 부위 특이적 재조합을 촉매하는 효소입니다. 동일한 방향의 두 loxP 부위 사이에 존재하는 모든 DNA('floxed' DNA)는 절제됩니다.
    광유전학에서 옵신 유전자는 흔히 강력한 유비쿼터스 프로모터(ELF-1α 또는 CMV와 같은)의 다운스트림에 배치되지만 정지 카세트에 의해 분리됩니다. 전사 및 번역될 때 정지 카세트는 정지 코돈을 폴리펩티드 사슬에 도입하여 옵신의 발현을 방지합니다. 그러나 카세트에는 두 개의 loxP 사이트가 있습니다. 이것은 Cre recombinase가 특정 세포 유형이나 뇌 영역에서 발현되는 Cre 드라이버 마우스의 뇌에 구조물을 주입할 때 정지 카세트의 절제와 옵신의 발현이 일어나지만 다음 영역에서만 발생한다는 것을 의미합니다. 익스프레스 Cre.
    그러나 바이러스 벡터에 의해 부과된 크기 제한은 상대적으로 작은 정지 카세트만 사용할 수 있음을 의미하며, 이는 Cre 음성 세포에서 옵신 유전자의 발현으로 '누출'을 유발할 수 있습니다. 이 문제를 극복하기 위해 많은 연구자들은 이제 이중 플럭스(Double floxed) 역 개방 판독 프레임(DIO) 바이러스 벡터를 사용합니다. 이 벡터는 정지 카세트를 사용할 필요 없이 선택적 Cre 매개 옵신 발현을 제공합니다. 간단히 말해서, 옵신 유전자의 거꾸로 된 버전은 두 개의 호환되지 않는 loxP 변이체 옆에 있습니다. Cre recombinase가 존재하면 opsin 유전자의 inversion이 일어나 opsin이 발현된다.
  • 기성품 형질전환 마우스
    최근에는 뇌 전체에 걸쳐 ChAT(콜린성 뉴런에 특이적인) 또는 VGAT(GABA성 인터뉴런)와 같은 프로모터의 제어 하에 안정적인 옵신 발현을 나타내는 마우스를 구입하는 것이 가능하게 되었습니다. 또는 연구자들은 추가 Cre 드라이버 라인과 함께 floxed opsin 유전자를 발현하는 마우스 라인을 구입할 수 있습니다(더 많은 수의 구매도 가능). 이 두 계통을 교차하면 Cre 발현 조직에서 안정적인 옵신 발현을 나타내는 자손이 생성됩니다.

옵신은 특정 세포 유형뿐만 아니라 세포 내의 특정 부위(즉, 세포체가 아닌 뉴런의 축삭 또는 축삭 말단)에도 표적화될 수 있습니다. 이것은 밀 배아 응집소(WGA) 또는 파상풍 독소 단편 C(TTC)와 같은 축삭을 따라 수송되는 단백질에 Cre 재조합효소를 융합하여 달성할 수 있습니다. 대안 전략은 광원을 세포체가 아닌 축색 돌기에 집중시키는 것입니다. 이것은 유전자 발현 패턴보다는 그들의 투영에 기초하여 뉴런의 활동을 조절하는 것을 가능하게 하고, 쥐와 영장류와 같이 유전자 조작에 덜 순응하는 종에서 유용할 수 있습니다.

세포 활동의 정확한 제어는 옵신을 활성화시키는 빛의 정확한 제어가 있는 경우에만 달성될 수 있습니다. 시험관 내 실험의 경우 일정한 광원을 초고속 셔터 또는 LED의 활동을 제어하는 ​​데 사용되는 스위치와 결합할 수 있습니다. 소형 LED가 사용되는 경우가 있습니다. 생체 내, 그러나 일반적인 대안은 광전극(광섬유에 결합된 LED 또는 레이저 광원)입니다. LED는 레이저보다 저렴하고 제어하기 쉽다는 장점이 있지만 모든 방향으로 빛을 방출하기 때문에 광전극으로 들어오는 빛의 양이 제한될 수 있습니다.

단순히 많은 수의 뉴런을 빛으로 목욕시키는 것은 뉴런 활성화가 미세한 시간적 제어 하에 있는 뇌의 정확한 발화 패턴을 모방하지 않을 것입니다. 게다가 뇌는 3차원 물체다. 따라서 Ed Boyden의 그룹은 3D 패턴으로 뇌에 여러 개의 개별 광원을 전달하는 데 사용할 수 있는 미세 가공 도파관으로 구성된 장치를 개발했습니다[32]. Anthanide가 도핑된 상향변환 나노입자는 조직을 투과하는 근적외선을 활성 청색 방출로 변환하는 데에도 사용할 수 있습니다[33].

광유전학은 전통적으로 표준 전기생리학적 판독(현장 및 전체 세포 기록) 또는 칼슘 영상과 같은 신경 활동의 간접적인 측정과 결합되었습니다[34].그러나 2010년 Lee와 동료들은 'ofMRI'를 제공하기 위해 기능적 자기공명영상과 광유전학을 통합하였다[35]. 그들은 이 기술을 사용하여 국소 흥분성 뉴런의 활동 증가가 BOLD 신호의 증가(단순히 상관관계가 있는 것과 반대)를 일으켰고 ofMRI가 글로벌 뇌 활동에 대한 정확한 광유전학적 조작의 효과를 시각화하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다. Yang W et al은 체적 2광자 칼슘 이미징을 사용하여 마우스 신피질의 신경 활동을 측정했습니다. 생체 내 2광자 광유전학을 통한 신경 자극과 함께 세포 분해능을 사용합니다[36].

광유전학의 주요 장점 중 하나는 동물의 행동에 대한 일시적이고 가역적인 신경 활동 변경의 효과를 연구하는 데 사용할 수 있다는 것입니다(예: [37]. 이는 돌이킬 수 없는 병변 및 약리학적 조작, 마약이 뇌에서 씻겨 나가려면 몇 시간 또는 며칠이 필요할 수 있습니다.

제어해야 할 두 가지 핵심 요소는 옵신의 발현과 광원의 활성화입니다. 옵신을 발현하는 세포/동물을 그렇지 않은 세포와 비교하여 옵신 유전자의 삽입이 숙주 게놈의 다른 유전자를 방해할 수 있는 가능성을 통제해야 합니다. 빛이 있을 때와 없을 때 세포/동물을 비교하는 것도 중요합니다. 조명이 열을 일으켜 조직 손상을 유발할 수 있기 때문입니다. Owen SF et al은 일반적으로 사용되는 조명 프로토콜을 통해 0.2~2°C의 온도 상승을 보고했습니다[38]. 청색광은 fMRI 신호의 변화뿐만 아니라 현저한 가열을 유도하고[39], 배양 배지와의 광독성 상호작용으로 인해 마우스 피질 배양[40]에서 유전자 발현을 변경하는 것으로 밝혀졌습니다[41].

선충 벌레, Caenorhabditis elegans (그림 4)는 게놈이 완전히 시퀀싱된 최초의 다세포 동물이며 광유전학 실험에서 인기 있는 선택입니다. C. elegans는 모든 트랜스-레티날을 생성하지 않지만, 이것은 벌레가 먹고 사는 박테리아 잔디에 추가될 수 있습니다. 모든 트랜스 레티날을 추가하지 않고 박테리아 잔디에서 자란 벌레는 귀중한 실험 대조군으로 사용될 수 있습니다.

이 벌레는 단순한 신경계(단 320개의 세포로 구성)와 투명한 체벽 덕분에 광유전학에 매우 적합하여 해당 세포가 빛에 쉽게 접근할 수 있습니다. 2005년에 Nagel 등은 기계 감각 뉴런 또는 체벽 내의 운동 뉴런에서 ChR2를 발현하는 유전적으로 변형된 벌레를 생산했습니다. 벌레에 푸른 빛을 비추면 이 뉴런이 활성화되어 벌레가 각각 근육을 수축시키거나 반전시킵니다[42]. 2년 후, C. elegans 체벽 근육 수축의 양방향 제어를 생성하기 위해 ChR2와 할로로돕신(NpHR)이 사용되었습니다[43].

이후의 발전으로 개별 세포를 선택적으로 표적화하는 것이 가능해졌습니다. 이것은 중복되는 프로모터를 발현하는 세포로 옵신 발현을 제한하기 위한 조합 유전학의 사용과 광원의 정확한 표적화를 통해 달성되었습니다. 2011년의 두 연구는 자유롭게 움직이는 웜에서 후자를 달성했는데, 하나는 LCD 프로젝터[44]의 도움을 받았고 다른 하나는 수십만 개의 미세하고 독립적으로 조정 가능한 거울로 구성된 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용했습니다[45]. 두 시스템 모두 움직이는 벌레의 몸 안에 있는 표적 세포의 위치를 ​​추적하고 예측하기 위해 특별히 설계된 알고리즘을 사용하여 광원이 그에 따라 조준될 수 있도록 했습니다. 그런 다음 개별 뉴런의 활동을 조작하는 행동에 대한 영향을 연구할 수 있습니다.

C. 엘레간스 시냅스 단백질과 시냅스 전달 메커니즘에 대한 연구에 자주 사용되어 왔으며 광유전학은 이러한 전통을 이어왔습니다. ChR2 매개 자극은 신경근 접합부에서 시냅스 전달을 연구하는 데 사용되었으며 [46], 광 활성화된 adenylyl cyclase PACα는 동일한 시냅스에서 cAMP 생성을 조작하는 데 사용되었습니다 [47].

유전자 변형 뉴런의 전기적 활동을 조절하기 위해 빛을 사용하는 최초의 실험 중 일부는 초파리에서 수행되었습니다.초파리 멜라노가스터) Gero Miesenböck 및 동료('광유전학의 간략한 역사' 참조). 이 그룹은 또한 광유전학을 사용하여 행동의 원격 제어를 최초로 시연한 그룹 중 하나였습니다. 2005년에 Lima와 Miesenböck는 광과민성을 갖도록 유전적으로 변형된 뉴런의 하위 집합을 소유한 형질전환 파리에서 점프, 날개치기, 비행과 같은 탈출 행동을 유도하기 위해 빛을 사용했습니다[48].

2007년까지 ChR2는 Drosophila에서 사용되었습니다. C. 엘레간스, 초파리는 자신의 레티날을 생성하지 않으므로 음식으로 제공되어야 합니다. Hwang 등은 광유전학을 사용하여 파리에서 통증 반응의 신경 기반을 확인했습니다[49]. 그들은 개별 뉴런 클래스에서 ChR2를 발현하는 파리를 생성하고 클래스 I, II 또는 III를 비추면 광범위한 근육 수축을 유발한다는 것을 보여주었습니다. 대조적으로, 조명 클래스 IV 뉴런은 방어적 통증 관련 행동을 유도하여 이러한 뉴런이 초파리 통각수용기(통증 수용체)임을 시사합니다.

광유전학은 초파리의 냄새에 대한 식욕을 돋우고 혐오스러운 반응을 조절하는 데 사용되었습니다. 초파리는 마지판과 바나나와 같은 단 물질에 끌리고 이러한 특정 냄새에 민감한 후각 뉴런의 활성화는 접근 반응을 촉발합니다. 대조적으로, 파리는 다른 냄새를 싫어하며 이러한 냄새에 민감한 후각 뉴런의 활성화는 탈출 반응을 촉발할 것입니다[50].

Bellman과 동료들은 2개의 사분면이 청색광으로 조명되고 2개는 그렇지 않은 페트리 접시에 개별 초파리를 배치했습니다(그림 5a). 초파리는 일반적으로 청색광을 싫어합니다(그림 5b). 그러나 연구자들이 바람직한 냄새에 민감한 ChR2 발현 뉴런을 활성화하기 위해 청색광을 사용했을 때, 파리는 갑자기 이전보다 훨씬 덜 혐오스러운 청색광을 발견했습니다(비록 냄새가 없었음에도 불구하고)(그림 5c). 반대로, 연구자들이 혐오스러운 냄새에 민감한 뉴런에 조명을 비추었을 때, 파리는 마치 불쾌한 냄새를 감지하고 명백한 근원(빛)에서 멀어진 것처럼 행동했습니다[3, 51].

비슷한 원리를 사용하여 Miesenböck와 동료들은 광유전학을 사용하여 초파리가 자신이 범했다고 생각했던 '실수'에서 배우도록 했습니다. Miesenböck는 파리의 의사 결정 회로가 행동을 지시하는 '배우'와 그러한 행동의 결과를 모니터링하고 배우에게 피드백을 제공하는 '비평가'로 구성되어 있다고 제안했습니다. 따라서 비평가의 활동을 조작하면 파리의 행동을 제어할 수 있어야 합니다. 이 아이디어를 테스트하기 위해 Miesenböck와 동료들은 각 끝에 다른 냄새가 집중된 수평 튜브에 개별 파리를 배치했습니다. 파리는 두 가지 냄새를 샘플링하면서 튜브 내부를 앞뒤로 걸었습니다. 중간 지점에 도달할 때마다 그들은 결정을 내려야 했습니다. 돌아서서 익숙한 냄새에 머물거나, 계속해서 새로운 냄새를 시도하는 것입니다.

파리는 뇌 전체의 도파민성 뉴런의 무작위 하위 집합에서 옵신을 발현하도록 유전적으로 조작되었습니다. 파리가 냄새 중 하나를 선택할 때마다 연구자들은 도파민성 뉴런을 활성화했습니다. 해당 뉴런이 '비평'을 포함(또는 포함)했다면 파리가 조명 중에 발견한 냄새를 피하고 싶어해야 합니다. 해당 뉴런에 비평가가 포함되지 않은 경우 파리의 행동은 변경되지 않은 상태로 유지되어야 합니다.

연구자들은 각각 다른 도파민성 세포 조합에서 빛에 민감한 단백질을 발현하는 많은 수의 파리를 테스트했습니다. 대부분의 경우 빛은 곤충의 행동에 영향을 미치지 않았습니다. 그러나 소수의 경우 파리가 조명을 경험한 냄새를 피하기 시작했습니다. 이러한 많은 실험을 통해 연구자들은 '비평가'의 정체를 버섯 몸체라는 구조로 출력을 보내는 12개의 도파민성 세포 그룹으로 좁힐 수 있었습니다. 그들은 이 구조가 초파리 의사결정 시스템에서 '비판'(또는 강화 신호 생성기)일 수 있다고 제안합니다[52, 53]).

반투명하고 유전적으로 잘 특성화된 Zebrafish는 광유전학에서 또 다른 인기 있는 모델 유기체입니다. 2008년에 연구자들은 ChR2를 발현하는 체성 감각 뉴런의 두 집단을 활성화하기 위해 빛을 사용했으며, 두 집단의 활성화가 촉각 자극에 의해 유발되는 것과 유사한 탈출 반응을 유발한다는 것을 발견했습니다. 뉴런의 1/3의 경우 단일 세포의 빛 활성화로 탈출 반응을 유발하기에 충분했지만 삼차 신경 세포의 경우 단일 활동 전위로 충분했습니다.

그러나 광유전학 실험에서 가장 자주 사용되는 유기체는 아마도 마우스일 것입니다. 실제로 광유전학의 인기는 적어도 부분적으로는 마우스 유전학 분야의 발전을 보완하고 활용하는 방식에 기인합니다. 특정 세포 유형에서 안정적인 옵신 발현을 나타내는 계속해서 확장되고 있는 형질전환 마우스를 구입할 수 있으며, 이 종의 비교적 광범위한 행동 레퍼토리는 실험실에서 보관할 수 있는 용이성과 결합하여 최초의 마우스를 만들었습니다. 많은 인간 질병을 모델링할 때 선택합니다. 광유전학의 적용이 뇌를 넘어설 가능성이 높지만 설치류 연구는 인간의 신경 및 정신 장애에 초점을 맞추는 경향이 있습니다[55]. Abdo H 등은 통증 인식에서 통각 슈반 세포의 역할을 조사하기 위해 Plp-ChR2 및 Sox10-ChR2 마우스를 생성했습니다[56]. 각각 LSL_ChR2-tdTomato Jackson Lab stock 012567 및 LSL_Halo-YFP Jackson Lab stock 014539에서 파생된 CckCRE_ChR2-tdTomato 및 CckCRE_Halorhodopsin-YFP 마우스를 사용하여 신경족 세포와 미주 신경 세포 사이의 시냅스 형성을 조사했습니다[57]. Adam Y 등은 OptoPatch3 형질전환 마우스를 구성하여 광학적 교란과 막 활동 전위의 측정을 동시에 가능하게 합니다[58]. Carta I는 Penn Vector Core의 AAV1-SynChR2-YFP를 깊은 소뇌 핵에 직접 주입하여 소뇌에서 복부 피개 영역으로의 투영과 이러한 투영에 의한 보상 회로의 변조를 조사했습니다[59].

불안은 즉각적이거나 임박한 위협이 없는 경우에도 지속적으로 경계하는 상태를 특징으로 합니다. 불안에서 기저외측 편도체(BLA)의 역할은 잘 확립되어 있지만, 이 구조는 다른 많은 뇌 영역에 투영되며 이러한 각 경로의 상대적 중요성은 불분명합니다. 이 질문을 해결하기 위해 Tye 등은 채널로돕신을 사용하여 BLA 뉴런을 활성화하고 그렇게 하면 마우스에서 불안을 유발한다는 것을 보여주었습니다. 대조적으로, 편도체의 중심 핵(CeA)으로 돌출된 축삭이 있는 BLA 뉴런만을 선택적으로 활성화하면 반대 효과가 나타납니다[37]. 따라서 이러한 데이터는 동일한 뇌 영역을 차지하지만 뚜렷한 투사 목표를 갖는 활성화 뉴런의 결과 사이의 현저한 해리를 나타냅니다. 보다 최근의 연구에서, 말단 선조의 침대 핵에서 다른 뇌 영역으로의 원심성 투영도 마찬가지로 불안에서 뚜렷한 역할을 하는 것으로 나타났습니다[60].

광유전학은 또한 단일 구조 내에서 특정 세포 유형을 선택적으로 표적화하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 해마 치상회(hippocampal dentate gyrus)의 등쪽 부분에 있는 과립 세포의 활성화는 맥락적 공포 기억의 인코딩을 매개하는 반면, 복부 치상회(ventral dentate gyrus)에서 과립 세포의 활성화는 맥락적 공포 학습에 영향을 미치지 않고 선천적 불안을 억제합니다 [61].

우울증의 원인과 근본적인 생물학은 복합적인 신경 회로와 신경 전달 물질 시스템이 장애에 연루되어 있기 때문에 복잡합니다. 대부분의 학습된 무기력의 원리에 기초하여 우울증에 대한 많은 마우스 모델이 개발되었습니다. 이것은 우울한 사람이 건강한 사람보다 불쾌한 상황을 피하려는 동기가 덜하고 더 빨리 자신의 운명에 굴복하게 될 것이라는 생각입니다. '꼬리 서스펜션 테스트'에서 꼬리로 제지된 건강한 쥐는 고군분투하고 '우울한' 쥐는 대부분 가만히 있을 것입니다. 물이 담긴 양동이에 넣은 건강한 쥐는 탈출로를 찾아 계속 헤엄치고 '우울한' 쥐는 수면 위를 움직이지 않고 떠다닌다.

생쥐에서 우울증과 같은 표현형을 유도하기 위한 약리학적 또는 유전적 접근과 행동의 출력 측정으로서 꼬리 서스펜션 테스트와 같은 테스트의 도움으로 광유전학을 사용하여 근본적인 질병 병리를 조사할 수 있습니다. 또한 항우울제 치료가 작동하는 메커니즘을 더 잘 이해하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서 내측 전전두엽 피질 내의 국소 ChR2 발현 뉴런의 조명은 마우스에서 항우울 효과를 일으켰고[62], 특정 중뇌 도파민 뉴런의 양방향 제어는 만성 스트레스에 대한 반응으로 우울증의 증상을 양방향으로 조절했습니다[63]. 복측 피개 영역(VTA)에서 도파민성 뉴런의 phasic(긴장성 아님) 발화의 광유전학적 자극은 사회적 패배 스트레스를 경험한 생쥐에서 우울증에 대한 감수성을 유도했습니다[64]. 이러한 효과는 경로 특이적이었습니다. 측좌핵으로 돌출된 VTA 뉴런의 위상 활성화는 스트레스에 대한 감수성을 유도하지만 내측 PFC는 아닙니다. 반면에 VTA-accumbens 투영의 억제는 탄력성을 유도했습니다.

약물 중독은 해로운 결과에도 불구하고 계속되는 강박적인 약물 추구로 특징지어지는 만성 재발 상태입니다. 중독성 물질은 뇌의 자연적 보상 시스템을 '인계'하는 것으로 생각됩니다. 이것은 중변연계 도파민 시스템을 중심으로 하며, 이는 복측 피개 영역(VTA)에서 내측 전뇌 다발을 통해 측좌핵으로 확장됩니다. 그러나 이 회로가 보상과 중독을 매개하는 방법에 대한 정확한 세부 사항은 불분명합니다.

Cre 매개 재조합은 도파민성 세포의 특정 집단에 대한 옵신 발현을 표적화하는 데 사용되었습니다. 설치류가 그렇지 않은 것보다 보람 있는 사건과 관련된 환경에 대한 선호도를 빠르게 발달시키는 CPP(Conditioned Place Preferences)와 같은 행동 테스트는 도파민 회로의 광유전학적 조작의 효과를 연구하는 데 사용할 수 있습니다. .

이 기술을 사용하여 VTA 내에서 ChR2-발현 도파민성 세포의 위상 자극(긴장성 자극 아님)이 CPP를 유도하기에 충분한 것으로 나타났습니다[65]. 측좌핵 내에서 도파민 수용체의 D1 아형을 발현하는 뉴런의 활성화는 코카인 CPP를 증가시킨 반면, D2 발현 뉴런의 활성화는 반대 효과를 나타냈다[66]. OptoXR을 사용하여 측좌측방 내에서 G 단백질 신호의 정확한 시간 상향조절은 마찬가지로 CPP를 유도하기에 충분했지만[67] 측측방 내에서 콜린성 개재뉴런의 코카인 유도 활성화를 억제하는 것은 CPP를 차단하기에 충분했습니다[68].

거의 60년 동안 동물이 지렛대를 반복적으로 눌러 전류를 뇌의 보상 중추(두개내 자가 자극)로 전달한다는 사실이 알려져 있지만[69] 어떤 세포 유형이 이 효과를 매개하는지 명확하지 않습니다. 광유전학 실험은 기저외측 편도체에서 측좌핵으로의 흥분성 투영이 도파민 D1 신호에 의존하는 메커니즘을 통해 자기 자극을 지원한다는 것을 보여주었습니다. 더욱이, 이러한 섬유의 광유전학적 억제는 자당 소비를 감소시킬 수 있으며, 이는 천연 강화제에 대한 반응에서도 이 경로를 의미합니다[70]. 동물은 또한 VTA에서 도파민 뉴런의 광유전학적 자극을 자가 투여하는 것으로 나타났습니다[71]. 광유전학적 자가 자극이 강력하고 신뢰할 수 있는 강화제로 사용될 수 있다면, 이는 동물이 사전에 음식 박탈 없이 많은 시험을 통해 테스트될 수 있도록 함으로써 설치류 행동 테스트를 용이하게 할 것입니다.

실제로, 광유전학은 이미 다른 강화물의 보상 가치를 비교하는 데 사용되었습니다. 생쥐는 도파민성 뉴런의 광유전학적 활성화와 짝을 이루는 물 한 병에서 한 모금을 마시는 것과 천연 또는 인공 감미료 중에서 선택하도록 제안했습니다. 생쥐는 수크로스가 아니라도 수크랄로스보다 도파민 뉴런의 광유전학적 활성화를 선호했습니다[72].

파킨슨병은 경직, 떨림, 느린 움직임을 특징으로 하는 신경퇴행성 질환입니다. 광유전학은 건강한 뇌와 병든 뇌 모두에서 움직임을 뒷받침하는 뇌 회로에 대한 우리의 이해에 몇 가지 중요한 기여를 했습니다. 따라서 광유전학은 운동 제어를 위한 선조체에서 직접 및 간접 경로의 오랫동안 가설화된 역할에 대한 최초의 명확한 경험적 증거를 제공했습니다. 파킨슨병 마우스 모델에서 선조체 중간 가시 뉴런에서 ChR2를 발현함으로써 간접 경로의 활성화는 파킨슨병 유사 상태를 초래하는 반면 직접 경로의 활성화는 파킨슨병 증상을 역전시키는 것으로 나타났습니다[73].

기저핵 회로의 구성 요소, 특히 시상하 핵에 대한 뇌심부 자극은 파킨슨병의 증상을 완화하는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 이 효과의 세포 기반은 대체로 불분명하지만, 시상하 핵에서 구심성 섬유의 광유전학적 활성화는 또한 헤미-파킨슨병 쥐 모델에서 운동 기능을 향상시켰습니다[74]. 특히, 국소 세포체의 자극은 동일한 효과를 나타내지 않았으며, 이는 인간 환자의 심부 뇌 자극이 주로 축색 돌기와 백질관을 표적으로 해야 함을 시사합니다. 실제로, 뇌 영역 사이의 정보 흐름이 개별 뇌 영역 자체의 활동보다 정신과 및 신경계 질환에 더 관련이 있는 경우일 수 있습니다.

파킨슨병의 또 다른 유망한 치료 방법은 줄기 세포에서 파생된 도파민성 뉴런을 환자 뇌의 기능 장애 조직을 대체하는 용도로 사용하는 것입니다. 이러한 이식편이 기존 회로에 얼마나 효과적으로 통합될 수 있는지 조사하기 위해 Tønnesen과 동료들은 줄기 세포 유래 도파민성 뉴런을 야생형 마우스 선조체의 기관형 배양물에 이식했습니다[75].

배양물을 준비한 후, 그들은 숙주나 이식편에 속하는 도파민성 뉴런에 채널로돕신과 할로로돕신을 도입하기 위해 바이러스 형질도입을 사용했습니다. 세포를 활성화하고 억제하면 이식편 내에서 광범위한 시냅스 연결성과 숙주와 이식편 세포 사이의 복잡한 양방향 시냅스 상호작용이 밝혀졌습니다.

하나 이상의 뇌 영역에서 과도한 동시 활성이 발생하여 발작(또는 '적응')을 유발하는 간질은 광유전학 연구의 또 다른 주요 대상입니다. 간질 발작은 억제성 개재뉴런의 소실, 재조직화 또는 흥분성 경로의 부적절한 강화로 인해 발생할 수 있습니다. 두 경우 모두 발작 중에 발생하는 비정상적인 리드미컬한 신경 활동을 완화하기 위해 할로로돕신이나 양성자 펌프를 사용하면 치료 효과를 얻을 수 있습니다.이와 일치하게 전기 자극을 사용하여 발작 활동이 유도된 기관형 해마 배양에서 NpHR의 활성화는 간질 파열을 유의하게 감소시켰습니다[76]. 또한, 측두엽 간질의 마우스 모델에서, 생체 내 GABA성 중간뉴런의 하위집단의 활성화 또는 흥분성 피라미드 세포의 억제는 발작을 빠르게 중단시켰다[77]. 간질은 뇌졸중 후 뇌 내 장거리 연결의 재구성으로 인해 때때로 발생할 수 있습니다. 쥐에서 손상된 간질양피질 부위와 연결된 시상 뉴런의 광유전학적 표적화도 발작을 감소시켰다[78].

광유전학은 수면 및 수면 장애의 신경 기반을 연구하는 데 사용되었습니다. 쥐의 측면 시상하부에서 오렉신/하이포크레틴 발현 뉴런의 ChR2 매개 활성화는 수면에서 각성으로의 전환을 증가시켰으며[79], 이러한 뉴런의 기능장애가 수면 장애 기면증과 관련이 있다는 보고와 일치합니다. 또 다른 연구에서, 연구자들은 측면 시상하부에서 오렉신/하이포크레틴 뉴런의 광 유도 활성화를 사용하여 수면을 단편화했으며, 이는 전체 수면 시간이 보존된 경우에도 새로운 물체 인식 작업에서 기억 성능을 손상시킨다는 것을 발견했습니다[80].

학습과 기억을 뒷받침하는 메커니즘을 연구하기 위해 광유전학을 사용하려는 노력이 진행 중입니다. 예를 들어, 기억 형성을 중재하는 경로가 뇌 내에서 비대칭을 보일 수 있다는 제안이 있습니다. Kohl et al(2011)은 ChR2를 사용하여 왼쪽 또는 오른쪽 마우스 해마에서 기원하는 CA3 세포의 축삭을 활성화했습니다. 왼쪽 반구에서 CA3 입력을 활성화하면 오른쪽 반구에서 동등한 입력을 활성화하는 것보다 CA3-CA1 시냅스(장기 강화)가 더 크게 강화됩니다. 이것은 두 반구 사이의 글루타메이트성 NR2B 수용체 분포의 차이를 반영할 수 있습니다[81].

광유전학은 뇌간과 척수 기능을 조작하는 데 사용되었습니다. 따라서 마취된 쥐에서 뇌간의 복측 수질(ventral medulla) 영역 내의 뉴런 그룹(retrotrapezoid nucleus-parafacial 호흡 그룹)의 활성화는 능동적 호기를 유도했습니다[82]. 척수 손상은 종종 척수의 호흡 운동 뉴런에 대한 하강 입력의 중단으로 인해 호흡 결손을 유발할 수 있습니다. 그러나 척수 손상의 설치류 모델에서 ChR2로 척수의 뉴런을 변환한 다음 빛으로 이 뉴런을 활성화하면 횡격막의 리드미컬한 움직임이 복원되었습니다. 더욱이, 리드미컬한 활동은 조명이 꺼진 후에도 지속되어 척수 손상에서 호흡 장애를 다루는 새로운 치료 전략을 제안합니다[83].

색소성 망막염에서 광유전학의 잠재적인 치료 적용과 관련하여 고무적인 데이터를 얻었습니다. 이 그룹은 광수용기(첫 번째 간상체와 원추체)의 손실이 치료할 수 없는 실명으로 이어지는 진행성 퇴행성 질환의 이종 그룹입니다. 색소성 망막염은 전 세계적으로 약 2백만 명의 사람들에게 영향을 미치는 것으로 추정됩니다. 이 질환의 마우스 모델에서 ChR2로 살아남은 망막 세포를 형질도입한 다음 빛으로 이 세포를 활성화하면 망막이 빛을 전기 신호로 변환하는 능력이 회복되어 시각 피질로 전달됩니다[84]. 유사한 조작은 쥐 모델에서 시각적으로 안내된 행동을 개선했습니다[85]. 망막 신경절 세포의 하위 집합에서만 옵신을 발현하는 맹인 형질전환 마우스와 쥐에서 ChR2의 활성화는 망막에 대한 광 민감성을 회복시켰고 시각적으로 안내된 행동을 허용했습니다[5, 86].

채널로돕신을 사용하여 소위 ON 양극성 세포 또는 망막 신경절 세포를 켜는 대신, 대체 전술은 간상체가 죽은 후 망막에 종종 남아 있는 기능 장애가 있는 빛에 둔감한 원뿔을 표적으로 하기 위해 할로로돕신을 사용하는 것입니다. halorhodopsin으로 원뿔을 끄면 빛에 다시 민감해지며 색소성 망막염의 두 마우스 모델에서 시각적으로 안내된 행동을 회복했습니다. 그것은 또한 인간의 빛에 둔감한 광수용체를 재활성화했습니다. 생체 외 망막 [87].

이러한 결과는 광유전학이 궁극적으로 인간의 치료 도구로 사용될 수 있는 가능성을 높입니다. 그러나 이것이 얼마나 그럴듯합니까?

Chow와 Boyden[88]은 광유전학이 특정 세포 유형을 켜거나 끌 때 얻을 수 있는 분명한 이점이 있고 더 나은 대안이 없는 상태에서 치료적 개입으로 사용될 수 있다고 제안합니다. 색소성 망막염 외에도 시험관 내 연구의 증가는 이것이 파킨슨병과 간질, 심지어 척수 손상을 포함할 수 있음을 시사합니다.

그러나 Chow와 Boyden이 논의한 것처럼 이것이 현실이 되기 위해서는 극복해야 할 많은 문제가 있습니다. 광유전학적 치료법은 바이러스 벡터를 통해 유전적 구성물을 체내로 전달해야 하지만 이 기술은 인간에게 완전히 확립된 것은 아닙니다. 일단 체내에 들어가면 박테리아 또는 조류 옵신은 몇 주, 몇 달 또는 몇 년 동안 안정적으로 발현되어야 하며 이는 면역 반응을 유발할 수 있습니다. 인간 옵신(예: 멜라놉신 또는 로돕신)을 대신 사용할 수 있지만 이들은 미생물에 비해 빛에 더 느리게 반응합니다. 더욱이, 인간 옵신의 사용은 종간 유전자 전달의 필요성을 피할 수 있지만 조작된 구성체가 게놈에 통합됨에 따라 삽입 돌연변이 유발과 관련된 잠재적 위험을 극복하지 못할 것입니다.

또한 셀은 매우 복잡한 네트워크의 구성 요소임을 기억하는 것이 중요합니다. 한 세포(또는 세포 그룹)의 기능을 변경하면 다른 세포의 활동에 영향을 미칠 수 있습니다. 이것은 깨어 있는 붉은털원숭이의 전두엽 피질에서 기록하는 동안 빛이 ChR2를 발현하는 피라미드형 뉴런의 한 집단을 활성화하기보다는 억제하는 것으로 밝혀진 이유를 설명할 수 있습니다[89]. 따라서 인간에 대한 광유전학의 치료적 적용은 유익한 효과가 다른 곳의 해로운 연쇄 효과보다 더 크지 않도록 해야 합니다.

손상된 심근의 심박조율기 활동을 복구하기 위해 광유전학적 기술이 적용되었습니다. 특히, 빛에 의해 활성화될 수 있는 ChR2는 배양액에서 심근세포를 자극하고 탈분극시키는데 사용되어 왔다. 생체 내 [90]. 또 다른 연구에서는 아데노 관련 바이러스 9 벡터에 삽입된 ChR2 유전자를 도입하여 쥐의 심근세포를 자극하는 것으로 나타났습니다[91]. 단색 발광 다이오드 450 nm는 심실의 자극을 일으키는 ChR2 이식유전자에 플래시를 생성하는 데 사용되었습니다. 또한, 광유전학적 방법을 적용하여 심실 부정맥을 종결할 수 있습니다. 적색 활성화 채널로돕신(ReaChR)을 발현하는 Wistar 쥐 심근세포에서 실험적으로 유도된 부정맥의 효과적인 종료. 심장성 바이러스 벡터는 ReaChR을 전달하는 데 사용되었습니다[92]. 이 데이터에 따라 적색광은 ChR2 형질전환 마우스에서 심실 부정맥을 효과적으로 차단했습니다[93]. 바이러스 형질도입은 유선 세포에서 외인성 단백질을 발현하는 가장 효과적인 방법으로 간주됩니다. 또한, 멜라놉신은 부정맥의 발병기전 연구를 위해 제안되었습니다. 멜라놉신의 청색광 매개 활성화는 포스포리파제 C, Ca 2+ 방출 및 자발적인 심박 조율 효과를 자극합니다[94].

광유전학을 사용하여 당뇨병에 대한 몇 가지 새로운 치료 전략이 개발되었습니다. 네 알. 혈당 수치를 조절하는 청색광 제어 방법을 설명했습니다[95]. 청색광에 반응하는 멜라놉신은 HEK-293 세포에서 발현되었다. 활성화된 멜라놉신은 포도당 항상성을 조절하는 경로를 자극했습니다. 멜라놉신 발현 세포를 당뇨병 마우스 모델에 이식했을 때, 동물은 균형 잡힌 수준의 포도당을 나타냈다. 또한 Wang et al[96]은 청색광에 민감한 도메인을 포함하는 광유전학 장치인 LightOn에 대해 설명했습니다. LightOn 장치는 당뇨병 생쥐에 도입되었으며 청색광에 반응하여 인슐린 생산이 활성화되는 것으로 나타났습니다. 또한, 해당과정 없이 빛을 조사하여 인슐린 생산을 조절하는 것은 췌장 베타 세포에서 ChR2 발현을 유도함으로써 달성되었습니다[97].

채널로돕신은 2005년 포유류 뉴런의 활동을 제어하는 ​​데 처음 사용된 이후 짧은 시간에 많은 발전이 이루어졌습니다. 광유전학 덕분에 필요에 따라 여러 뇌 영역에서 특정 신경 세포 집단의 활동을 늘리거나 줄이는 것이 가능해졌습니다. 광유전학은 다양한 인간 정신과 및 신경 질환에 대한 기계론적 통찰력을 제공했으며, 새로운 도구를 통해 이 기술을 더 넓은 범위의 세포에 적용할 수 있게 되면서 그 영향력은 더욱 확대될 것입니다. 인간 질병의 동물 모델에 대한 치료적 개입으로서 광유전학을 사용함으로써 고무적인 데이터를 얻었지만, 그러한 접근법이 인간 환자에게 적용되기까지 많은 작업이 남아 있습니다.

Konstantin Yakimchuk 박사는 2018년 10월 "심장학 및 내분비학에서 광유전학의 잠재적 치료 응용" 섹션에 기고했습니다.


두뇌 배선하기

나 자신도 이와 똑같은 질문에 집착해 왔다.

나는 이것이 현실에 대한 과학적 이해를 기반으로 하고 과학자들에게 유용한 "큰 그림"의 스케치에 대한 큰 필요이자 기회라고 생각합니다. 철학은 할 수 있었지만 현재는 그렇지 않습니다.

Feynman이 이 인터뷰에서 말했듯이 모든 것은 단지 "자신의 일을 하는" 원자일 뿐입니다.

그러나 설명할 수 없을 정도로 자주 잊혀지는 것은 미시적인 원자 그림이 "정당한 물리학"이 아니라는 것입니다. 결정적으로 원자의 *배열*은 기본적이고 기본적인 작용이 서로 더하거나 상쇄되는 방식을 결정합니다.

따라서 실제 현미경 설명은 다음과 같습니다.
(시스템의 전체 구조/상태) x (이를 가능하게 하는 기본 법칙)

이것은 단순히 진화하는(상태/구조)의 역사가 물리학의 기본 법칙을 따르지 않는다는 것을 의미합니다. 마찬가지로 그것은 (상태/구조) 자체에 의존합니다. (그것은 기본적이고 기본적인 행동이 어떻게 서로 합치거나 취소되는지를 결정하고 그렇게 함으로써 상태/구조를 수정하여 시스템의 역학을 생성합니다.)

(상태/구조)를 설명하지 않고 기본 물리학은 *우리* 세계를 설명하는 것이 아니라 물리 법칙과 일치하는 모든 가능한 세계를 설명합니다.

(역설적이게도 "all that can" 집합은 그 구성원 중 어느 것보다 훨씬 덜 복잡한 것입니다. 모든 문자열의 라이브러리를 생각하십시오. 사소하게 지정할 수 있고 정보가 거의 없습니다. 하나의 "book"을 선택하는 행위 그 안에 포함된 정보를 생성하는 것입니다.)

따라서 물리 법칙에 대한 "축소"는 불가능합니다. 실제로 전개되는 진화(구조/상태)의 역사를 포함해야 합니다. (또는 적어도 특정 발전 과정에 그것을 고정시키는 이 역사의 핵심 디딤돌.)

물론 자연은 생명과 인간이 존재하기 훨씬 이전에 존재했습니다.

항상 그런 것은 아니지만 많은 중요한 경우에 역학은 "덩어리진" 구조와 좁은 "채널"에 국한된 작용을 생성합니다. 원자, 행성, 대기 순환, 유기체는 모두 이러한 덩어리 및 채널의 예를 제공합니다. 자연의 "작용 기하학"은 화학 반응의 네트워크, 행성의 강의 레이스 등입니다.

울퉁불퉁함과 채널링은 상태/구조의 진화가 전체 미시 상태 공간 내에서 작은 다양체에 국한된다는 것을 의미합니다. 이 다양체는 현실의 거시적 구조를 나타내며 고유한 행동 규칙이 있습니다.

실재 구조의 기본 원리를 식별하는 것은 생명, 진화 및 인지의 큰 그림을 스케치하는 데 필요한 기초라고 생각합니다.

귀하의 의견과 통찰력에 감사드립니다. 완전히 동의 해. 문제는 행동 규칙 또는 생명체의 근본적인 조직 원리를 이해하려고 노력하고 정의하고 이해하는 것입니다. 선택의지와 궁극적으로 의식을 포함한 생명의 출현 속성을 제공하는 것은 무엇입니까? 이것들은 철학적인 질문이지만 주어진 유전자의 돌연변이 효과, 신약의 효과 및 시스템이 그것에 어떻게 반응할 것인지와 같은 것들을 예측할 수 있을 만큼 충분히 생물을 이해하는 방향으로 실질적인 진전을 이루었다는 점에서 분명한 실용적인 의미가 있습니다. , 신경 발달 장애의 출현 병리 및 관찰 된 정신 병리 패턴의 궁극적 인 이유 등

복잡성에 대한 또 다른 멋진 swat - Kevin, 특히 참조와 그래픽에 감사드립니다. 일상 생활에서 과도하게 방향을 틀었습니다. 때로는 최소한 지도와 하이퍼텍스트를 건네받았을 때 뒤처져 있다는 느낌이 들 정도로 기분이 좋습니다.

> 생물의 행동 규칙 또는 근본적인 조직 원리를 정의하고 이해합니다. 무엇이 그것들을 있는 그대로 만들고 다른 방식으로 만들지 않습니까? 선택의지와 궁극적으로 의식을 포함한 생명의 출현 속성을 제공하는 것은 무엇입니까? 철학적인 질문들입니다

우리가 이것을 잠시 뒤집어 생각한다면, 그것들은 전혀 철학적인 문제가 아니라 철학자들이 주의를 기울이고 스스로 행동한다면 결실을 맺을 수 있는 실용적인 문제라고 때때로 주장해야 합니다. 생물학적 시스템에 대한 평가에서 내가 흥미롭게 생각하는 것은 발견(특히 대중 철학)과 충돌하는 철학적 탐구 노선을 사실상 금지하는 능력과 오랜 세월에 걸친 맞고 실패를 활용하여 상상할 수 없는 철학적 차원을 밝히는 능력입니다. 우리 삶을 믿을 수 없을 정도로 성공적이고 복잡하게 만들었습니다. 우리의 살아있는 시스템에서 실제로 일어나는 일로부터 구축하는 것은 의지와 의식의 개념을 구성하는 추상화의 층과 층과 분석의 층에 있는 쓸모없고 덜 유용하고 더 유용한 가정을 드러낼 것입니다.

무의식적으로 우리 모두는 연성 기계라는 개념에 움찔합니다. 저는 매우 기본적인 선택 최적화의 부산물이라고 생각합니다. 동일한 선택이 인구 내에서 종교성과 실용적인 다양성을 모두 장려하는 것과 동일합니다. 우리 자신을 기계로 "이름을 지정"하는 것을 꺼리는 것은 행동, 의지 및 의식의 비인간적 측면과 우리 자신의 버전 사이에서 부당하게 이분법을 만들게 만듭니다. 그 이분법은 의지와 의식을 제1원칙의 복합적/역동적 확장으로 보지 않고 물신화하는 부작용이 있습니다. 대조적으로, 생물학에서 이러한 추상화를 구축함으로써 우리는 그것들을 견고성과 기본 회로의 자연스러운 확장으로 볼 수 있고 자연 세계가 작동 철학을 지시하는 방법을 배울 수 있습니다. is and ought'는 생물학에서 매우 성공적이었지만, 우리는 일관성과 의미를 찾기 위해 끊임없이 자신을 초월해 봅니다. 우리 자신을 놀랍도록 성공적인 기계라고 부정하는 것은 오히려 신과의 유대에 의해 실례화된다는 느낌을 갖게 하거나 더 나쁘게는 비극적이고 협소하게 정의된 개별적인 "성공"이 의미를 확립하는 것을 정당화합니다. 훨씬 더 상호 의존적인 세계에서 그러한 나쁜 모델링의 결과는 점점 더 유독하고 실행 불가능합니다.

생명의 사이버네틱 겸 사회적 본성에 내재된 힘과 기쁨은 향후 수십 년 동안 혼합된 소프트 과학과 하드 과학의 위대한 작품 중 하나가 될 것입니다. 실용주의자들이 19세기 말부터 신이 돈을 지불한 이후에 일어나야 한다고 주장한 것처럼, Is는 우리의 의무를 다하는 데 있어 발언권을 갖게 될 것입니다.

감사합니다 Scott - 당신이 정확히 옳다고 생각합니다. 이러한 질문에 원칙적이고 과학적인 방식으로 접근하면 주체의 출현, 심지어는 의식과 의지의 출현과 같은 것을 정의할 수 있습니다. 그렇지 않으면 이러한 주제에 대한 잠재적으로 무한하고 끝이 없는 철학적 토론을 첨예하게 구분할 수 있습니다.

자유 의지와 같은 것에 대한 철학적 문헌이 우리가 진정한 진보를 이루고 있는 신경 수준에서뿐만 아니라 발생하는 계산 및 작업, 박테리아 화학주성 또는 lac 오페론 켜기와 같은 낮은 수준에서도 볼 수 있습니다. 탐색 대 착취, 증거의 통합 및 축적, 신뢰 추정, 유용성의 내부 측정 등의 공통 기본 원칙이 있으며, 이러한 모든 종류의 의사결정은 가장 작은 것부터 가장 정교한 것까지 적용되는 것으로 볼 수 있습니다.

그리고 물론, 이러한 원칙을 이끌어내기 위해 노력하는 많은 사람들이 있지만, 여하튼 그러한 노력은 생물학의 주류 외부에 남아 있습니다. 확실히 우리가 학생들을 가르치는 방법에 있습니다. 더 잘하려고 노력해야 할 때!

> 지금 우리는 데이터에 빠져 있습니다.

이것은 정확히 말하면 불공평하지만 시스템 원리를 확립하기 위해 더 많이 알고 있는 오늘날의 다수학이 가지고 있는 훨씬 더 큰 도전을 무시합니다. 어떤 규모의 프로젝트든 아주 적게 알고, 열렬히 체계화하고, 현실에 찬성하여 그것을 거부하고, 더 정교하고 정확한 방식으로 다시 단순화하는 자연스러운 진화가 있습니다. 당신은 그 마지막 단계에 머물러 있으며 물리학자들보다 훨씬 더 잘하고 있습니다.

그리고 다양한 종류의 비선형 역학이 지배하는 세상에서 강력한 체계화 과학이 얼마나 믿을 수 없을 정도로 어렵고 학제간인지 살펴보십시오. 전달한 그래픽에서 두 명의 학자를 선택하고 물리학자, 심리학자, 심지어 생물학자/통계학자에게 특별한 노동 없이 그들의 작업을 이해하도록 요청하면 실패할 것입니다. 우리는 학제간 사고에 대한 깊은 인지 장애뿐만 아니라 일반적으로 유용하게 사용할 수 있는 기본 교육 없이 처음으로 소용돌이를 들여다보게 만드는 현실의 복잡한 본질의 어려운 본질과 싸우고 있습니다.

관련 없음 - 견고함의 개념은 작동하는 것을 얻을 수 있는 가능성을 줄이는 넓은 의미에서 의지의 개념과 연결되어 있습니다. 선택에서 의지의 대리인은 마치 사냥꾼이 성공으로 가는 길에 언덕과 골짜기를 '거부'하듯이, 작동 불가능한 시스템을 세로로 거부하는 것입니다. 저는 그 연결이 마음에 듭니다. 의지를 견고함의 자연스러운 확장으로 만들어주므로 저에게는 그것의 개념이 더 간단하고 강력해집니다.

Scott에게 감사합니다. 학문 전반에 걸쳐 보는 이 문제는 초기 생물학 교육에서 근본적으로 해결해야 한다고 생각하는 바로 그 문제입니다. 모든 영역에 걸쳐 작용하는 깊은 개념적 원리를 인식시키려는 노력조차 하지 않는다면, 학생들이 필연적으로 오게 될 협소한 학문 영역 밖의 관점을 이해하기를 어떻게 기대할 수 있겠습니까? 물론 대부분의 생물학 강사들은 스스로 그렇게 훈련을 받지 않았습니다. 학문 분야 내에서도 연구의 진전(적어도 명백한 진전)을 이루기 위해 요구되는 전문성의 정도는 극단적입니다.그것이 보조금 신청, 승진 등에서 중요하기 때문에 제너럴리스트는 공급이 부족합니다. (그리고 진정한 수학은 과거의 일이라고 생각합니다. 알아야 할 것이 너무 많습니다!)

생물학 교육(교사 양성) 박사 과정 학생으로서 저는 우리가 생물학을 가르치는 방식에 대한 이러한 관점에 대한 귀하의 진술에 전적으로 동의합니다. 즉. 복잡성 과학은 현재의 교실과는 거리가 멀고 우리는 그것을 바꿔야 합니다. Cultural Evolution Society에서 발표한 우리의 최근 포스터는 교사 훈련과 교실 활동을 정확히 이 방향으로 옮기는 디자인 기반 연구 접근 방식을 강조합니다.
https://www.researchgate.net/publication/319644966_Cultural_Evolution_in_the_Biology_Classroom_A_Design-Based_Research_Model_in_Education_for_Sustainable_Development

감사합니다 Dustin - 정말 재미있어 보입니다.

"시스템 생물학의 핵심 발견은 가능한 네트워크 모티프의 아주 작은 부분집합만이 실제로 사용되며 이러한 모티프는 전사에서 생화학적, 신경 네트워크에 이르기까지 모든 종류의 다른 시스템에서 반복된다는 것입니다. 이는 상호작용의 배열만이 세포 또는 유기체 수준에서 필요한 기능의 기초가 되는 유용한 작동을 효과적으로 수행하기 때문입니다.”

글쎄요. 하지만 거의 모든 시스템에 대해 시스템이 실제로 어떻게 작동하는지 완전히 설명하기에 충분한 정보가 없다는 것이 제 이해입니다. 대부분의 과학적 연구는 시스템 기능의 한 측면에 대해 꽤 간접적이고 대략적인 관점을 제공하는 것 같습니다. (그리고 어떤 것을 시스템이라고 부르는 것은 아마도 약간 관대할 것입니다. 왜냐하면 모든 생물학적 과정은 매우 방대한 상호 작용을 하기 때문에 전체의 한 부분을 분리하는 것이 이미 단순화되기 때문입니다.) 이러한 대략적인 지식의 작은 조각으로 단순화되고 인간 친화적인 시스템을 구축하는 것이 가능합니다. 일종의 생물학적 인쇄 회로 역할을 하는 것처럼 유기 화합물 그룹을 함께 묶는 내러티브. 그러나 실제로는 그렇지 않으며 그렇지 않다는 것을 알고 있습니다. 시스템 설명으로 나아갈수록 과학은 화학에서 멀어지고 경제학에 가까워집니다. 흥미로운 관점이지만 진행 상황을 더 명확하게 이해할 수 있을지 확신할 수 없습니다. 그리고 실제가 아닌 환상의 통찰을 얻을 위험이 있다고 생각합니다.

"이는 정보가 과거 상태의 기록이나 기억, 과거 결정 및 결과를 포함하는 전체 세포 또는 유기체의 상태의 맥락에서 해석된다는 것을 의미합니다. 단순히 시스템을 통해 전달되는 메시지가 아니라 수신자에게 의미하는 바가 있으며 그 의미는 메시지 자체뿐만 아니라 수신자의 역사와 상태(단백질이든 세포든 , 세포의 앙상블, 또는 전체 유기체).'

나는 이것을 정말로 사지 않을 것입니다. 나는 모든 살아있는 유기체가 자신과 환경에 대한 모델을 가지고 있는지 확신하지 못합니다. 나는 확실히 대부분의 세포가 의미 있는 의미의 기억을 갖고 있다는 개념을 무시하고 "과거의 결정과 결과"에 대해서는 그렇지 않습니다. 나는 또한 단백질의 상태가 아니라 단백질의 역사가 중요하다는 것을 약간 확신시킬 필요가 있습니다.

나는 이 기사가 상황을 설명하고 있다고 생각하지만 사실 우리는 상황이 실제로 어떤지 말할 수 있는 충분한 실제 데이터를 갖고 있지 않습니다. 생물학을 더 많이 발견할수록 더 복잡한 것들이 더 복잡해지는 것 같습니다. 나는 우리가 면역 반응을 일으키는 것과 같이 우리가 관찰한 경험적 사건에 대한 요약을 제공하는 시스템을 설명할 수 있고 그러한 시스템의 미시적 측면에 대한 통찰력을 얻을 수 있을 것으로 기대합니다. 그러나 나는 우리가 미시적 현상과 거시적 현상을 연결하는 주요 특징에 대한 강력한 이론적 이해를 갖는 단계에 도달할지 의심스럽습니다. 우리는 항상 그럴듯해 보이는 다양한 이론을 가지고 있으며 관찰된 데이터에 가장 정확하게 맞는 것을 기반으로 그 중에서 선택합니다. 내 이해는 우리가 훈련된 신경망의 모든 측면을 조사할 수 있고 매우 간단한 아키텍처를 가지고 있음에도 불구하고 훈련된 신경망이 그 기능을 달성하는 방법을 이해할 수 있는 위치에 있지도 않다는 것입니다.

생물학적 과정을 제대로 이해하는 작업은 희망이 없다고 생각합니다. 그래서 대신 우리는 유용한 응용 프로그램이 있을 수 있는 중요한 부분에 대한 작은 부분을 이해하기 위해 실용적으로 작업합니다. 우리가 사물을 주로 시스템으로 본다면 제대로 작동하지 않는 방법과 이유를 이해하거나 예측하는 데 그리 좋지 않을 수 있다고 생각합니다.

고마워 데이브. 나는 당신의 회의론이 어느 정도 정당하다고 생각하지만 나는 당신보다 낙관적입니다. 나는 격리된 구성 요소에 대한 실험을 포기하는 것을 옹호하는 것이 아닙니다. 전혀 아닙니다. 내가 제안하는 것은 그러한 실험의 설계와 해석이 관련된 보다 추상적인 시스템 원칙을 고려함으로써, 즉 무슨 일이 일어나고 있는지 설명하는 것이 아니라 시스템이 *하고 있는* 것을 파악하려고 시도함으로써 크게 향상될 것이라는 것입니다.

목표가 시스템이 어떻게 그리고 왜 실패하는지에 대한 예측력을 얻는 것이라면 순전히 환원주의적 접근 자체가 비참한 실패라고 말하고 싶습니다. 예를 들어, 우리는 매년 소수의 신약을 가지고 있으며 일부는 특정 분자를 표적으로 하도록 특별히 고안되었습니다. 그러나 성공할 때마다 예상치 못한 시스템 수준의 영향으로 인해 전임상 또는 임상 시험에서 수백 번 실패합니다.

저에게 시스템 관점은 실험적으로 격리된 구성 요소에 대한 연구를 보완합니다. 이것들은 당신이 지적한 것처럼 실제로 분리되어 있지는 않지만 특정한 역학 및 입출력 관계로 특정 작업을 수행하는 모듈과 모티프를 식별한 다음 해당 구성 요소로부터 더 큰 시스템을 구축하는 것이 가능합니다(여기서 상위 레벨의 "청크" 정보는 세부 사항에 신경 쓰지 않는 낮은 수준).

물론, 복잡한 시스템의 멋진 수학적 모델을 만들고 우리가 그것을 이해한다고 스스로를 속이는 것이 가능합니다. 그러나 그러한 모델은 테스트 가능한 예측을 해야 하며 새로운 실험 결과에 따라 개선되거나 거부될 수 있습니다. 데이터 -> 이론 -> 예측 -> 데이터 -> 새로운 이론의 순환은 우리 대부분이 현재 참여하고 있는 단방향 시스템(데이터 -> 더 많은 데이터 -> 더 많은 데이터 -> 음)보다 확실히 더 강력합니다. 더 많은 데이터?



코멘트:

  1. Akinobei

    흥미로운 주제, 나는 참여할 것입니다. 함께 우리는 정답에 올 수 있습니다.

  2. Meztir

    그들은 틀렸다.



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