'Sonogenetics' memberikan kendali otak lengkap menggunakan ultrasound dan genetika

Dalam optogenetika, neuron tertentu dimodifikasi untuk menghasilkan protein yang sensitif terhadap cahaya aktifkan sel ketika mereka terkena cahaya. Kelemahan utamanya adalah sulit untuk memasukkan cahaya jauh ke dalam otak. Ultrasonografi, di sisi lain, dapat menjangkau ke mana-mana - dan jika cukup kuat - aktifkan secara langsung apa pun. Jika ada cara untuk membuat USG selektif untuk beberapa neuron, tetapi tidak untuk yang lain, seseorang mungkin menjadi kaya.

Masuki sonogenetika, teknik ilmu saraf terbaru tahun 2015. Untuk menggunakannya, Anda cukup menerapkan sedikit rekayasa genetika yang sama yang akan Anda gunakan untuk memasukkan protein peka cahaya, tetapi malah memasukkan protein peka getaran. Jika Anda mampu melakukannya, hal yang luar biasa dapat terjadi: asalkan Anda menurunkan daya ultrasonik ke tingkat aman yang bagus, tingkat yang jauh di bawah ambang batas yang biasanya membuat neuron melompat, Anda dapat menargetkan hanya neuron yang Anda perkenalkan. mechanoreceptors mewah.

Para peneliti pertama yang sepenuhnya memahami kekuatan promethean ini sepenuhnya dalam pikiran mereka, dan benar-benar melakukan teknik di lab, berasal dari Institut Salk California dan UCSD. Menulis kemarin di jurnal Ilmu, mereka mengeluarkan sonogenetika untuk test drive di worm. Untuk sepenuhnya menghargai apa yang sekarang dapat dilakukan cacing untuk kita, cobalah membayangkan bagaimana rasanya menjadi nama depan dengan semua sekitar 100 miliar neuron di sistem saraf Anda. Jika Anda menugaskan setiap neuron hanya dengan tugas menjadi sadar akan dirinya sendiri, Anda mungkin bisa melakukannya. Sayangnya, Anda mungkin tidak dapat berkonsentrasi pada hal lain.



Keindahan menggunakan cacing gelang c. Elegans, adalah bahwa para peneliti yang mencari nafkah dengan mempelajarinya sebenarnya memiliki nama yang menawan untuk setiap dari 302 neuronnya. Keakraban semacam itu tidak boleh diremehkan. Tidak hanya itu, para peneliti tahu persis (atau setidaknya memiliki ide bagus tentang) jenis perilaku yang dikendalikan atau dideteksi oleh masing-masing neuron tersebut. Biasanya perilaku ini mungkin mengambil bentuk kombinasi dari jenis kelenturan atau putaran tertentu sebagai respons terhadap kelas rangsangan tertentu. Selain itu, mereka juga memiliki berbagai teknik untuk mentransfer hampir semua gen yang mereka inginkan ke hampir semua neuron, atau subset neuron, menyebabkan mereka mengekspresikan protein yang sesuai seolah-olah itu milik mereka sendiri.

Untuk percobaan di sini, diperlukan beberapa manipulasi genetik yang licik. Pertama, untuk mengetahui bagaimana cacing merasakan ultrasound, para peneliti menghilangkan beberapa tersangka yang biasa. Cacing-cacing ini diketahui mengekspresikan kelas tertentu saluran ion mechanosensitive, yaitu TRP-4, hanya dalam enam neuron: Empat neuron sensorik, dan dalam dua yang disebut interneuron yang secara eksklusif menangani dopamin. Dopamin tidak terlalu penting di sini; kami hanya menyebutkannya karena beberapa orang merasa senang karenanya. Saluran TRP-4 ini, seperti banyak saluran ion yang biasanya sensitif mechano, biasanya tertanam di membran plasma luar sel. Ketika mereka diregangkan, mereka membuka dan akhirnya dapat 'menembak' sel.

Ketika para peneliti kemudian menemukan cacing yang kekurangan TRP-4 dengan ultrasound, respon cacing tersebut menurun secara signifikan. Tanggapan ini masih ada di level rendah, tetapi cukup menurun untuk membuat mereka percaya bahwa TRP-4 adalah pemain utama. Untuk membuktikannya, mereka mengekspresikan protein dalam neuron sensorik kunci yang biasanya kekurangan protein.

sonogenetika

Agar tidak ada yang meragukan bahwa manipulasi semacam ini sedikit kurang ajaib, para peneliti mengambil banyak hal. Mereka sudah dapat menentukan bahwa cacing mendeteksi ultrasound karena neuron mekanosensitif yang baru dibuat itu akhirnya menghasilkan jenis perilaku yang sama yang biasanya mereka lakukan untuk rangsangan lain. Untuk kemudian mengukur efek ini pada tingkat subseluler, para peneliti memperkuat neuron yang sama ini dengan protein sensitif kalsium khusus yang tampak berpendar (setidaknya jika dilihat dalam lingkup yang cepat dan sensitif) saat diaktifkan.

Ada satu goyangan dalam semua ini, yang kita tinggalkan untuk akhir. Itu karena bug utama dalam semua hal di atas juga merupakan fitur utamanya. Untuk secara efisien memasangkan daya ultrasonik ke dalam tubuh cacing - dan dengan pasangan yang kami maksudkan adalah amplifikasi atau pemfokusan di dalamnya - cacing itu tertanam di dalam lautan gelembung mikro perfluoroheksana. Gelembung ini, dengan diameter hanya beberapa mikron, adalah aksesori ultrasonik standar yang dapat melakukan banyak hal selain hanya meningkatkan kontras. Ketika Anda memukulnya dengan frekuensi, daya, dan tekanan negatif puncak yang tepat (refraksi), mereka dapat melenturkan dan beresonansi secara sinkron. Ekspansi gelembung yang optimal ditemukan dengan tekanan puncak sekitar satu MPa untuk pulsa 10 ms pada frekuensi 2,25 MHz.

Di atas tekanan 2,5 MPa ditemukan bahwa kavitasi inersia, dan gelombang kejut berikutnya, mengganggu integritas membran sel. Namun, tekanan puncak bukanlah satu-satunya hal yang dapat menurunkan sel. Dari sudut pandang kekuatan, para peneliti berhati-hati untuk tidak melebihi batas suhu jaringan. Dengan menggunakan sensor termokopel, mereka menemukan peningkatan suhu kurang dari 0,1 ° C, yang menurut mereka tidak mungkin dirasakan oleh cacing. Itu bagus karena beberapa alasan: senang mengetahui bahwa neuron tidak akan mati dimasak, dan juga penting untuk mengetahui bahwa cacing merespons efek mekanis daripada efek termal.

Sekarang, fitur yang kami sebutkan, adalah jika Anda membalik geometri gelembung mikro - dengan kata lain meletakkan gelembung mikro ke dalam hewan, bukan hewan ke dalam gelembung mikro - Anda mendapatkan cara yang dapat dibalik untuk mengaktifkan semuanya. Dengan menyuntikkan gelembung ke dalam aliran darah, bahkan mungkin aliran darah manusia, Anda mendapatkan waktu sekitar 60 menit untuk bermain. Para peneliti mungkin tidak dalam posisi apa pun untuk membuat klaim tentang apa yang terjadi pada semua gelembung mikro. Namun, jika diasumsikan bahwa mereka terbatas pada tempat tidur kapiler, orang mungkin memperkirakan kisarannya untuk mengaktifkan neuron.

Faktanya, penulis mengatakan bahwa karena neuron kira-kira 25 μm di bawah kutikula diaktifkan melalui 0,5 μm kulit cacing lainnya, deformasi mekanis harus memiliki penetrasi yang cukup. Dengan jarak rata-rata hanya 20 μm untuk sebagian besar neuron kita sendiri dari kapiler, kita mungkin optimis bahwa teknik ini dapat diperluas ke makhluk yang lebih tinggi seperti kita.

Copyright © Seluruh Hak Cipta | 2007es.com