Optogenetics

Controlling the brain, with lasers!

Trendsetters
This news piece aired after the publication of a high-profile study led by Lex Kravitz.   It’s one of the early works demonstrating the power of optogenetics in neuroscience.  This technique, pioneered by Karl Deisseroth at Stanford University, utilizes light-sensitive proteins to control the activity of neurons with light.  (see the diagram below for how it works)In Lex’s study, he and his co-workers targeted the gene for a light-sensitive protein to specific sets of neurons in mice, which allowed them to activate those specific cells using a fiberoptic inserted into the brain.  The neurons they targeted are located in a major motor control circuit of the brain called the basal ganglia.Within this circuit there are two main pathways — one that stimulates movement and one that inhibits movement.  In an elegant set of experiments, Lex and his colleagues demonstrated that by targeting one pathway or the other, they could cause the mice to run around or to freeze in place simply by turning on the laser.  They then applied this technique to Parkinsonian mice and showed that activating the pro-motor pathway restores their movement to the level of normal, healthy mice.

And remember, all of this behavior was controlled entirely with lasers.  If you go to the online version of this paper, you can watch cool videos of the mice responding to the light.

Why is it so super-hot?

The results of this study are exciting, but why is optogenetics SO hot right now?

The main answer lies in its specificity.  In the past, fast control of neuronal activity was achieved almost exclusively with electrodes.  This was done for brain cells in every type of situation — in the laboratory dish, in animals, and even in humans (for example, deep brain simulation for Parkinson’s patients).

The problem with sticking an electrode in the brain and zapping it with electricity is the lack of specificity.  You’re zapping EVERYTHING in that region.  But the brain is a complicated structure, and even one tiny area can contain many different types of cells, with diverse and often opposing functions.  An electrode will affect all of those cells and there’s nothing you can really do about that.

In contrast, flashing light onto a brain area does absolutely nothing EXCEPT in the cells that you’ve specifically targeted to express a light-sentive protein.  Current methods for attaining specificity of expression are usually a mix of genetic techniques and site-specific injections into the brain.

Now it’s possible for researchers to see exactly what certain types of neurons do.  No more confounding effects of other intermingled cell populations.  A variety of light-sensitive proteins have become available that can activate or silence neurons or even change signaling molecules within the cell.  Optogenetics is not a panacea for every experimental difficulty in neuroscience, but I don’t think I’m overstating if I say that it’s revolutionizing the field.

Neuroscience has optogenetics fever! And it’s producing crazy fever dreams like this. 

 
Optogenetics is the new black

Within only a few years after development, optogenetic tools are quickly reaching labs everywhere and are being applied to countless areas of neuroscience research.  Scientists have been able to address previously-unanswered questions about depression, learning & memory, sleep, perception, and much more.  The techniques of optogenetics truly go with everything.

Lex’s publication dealt specifically with Parkinson’s disease, but the brain areas our lab studies are also involved in other movement disorders as well as Tourette’s syndrome, obsessive compulsive disorder, schizophrenia, and addiction.  Using light to precisely alter the activity of specific neurons in the brain not only increases our understanding of how the brain works but also opens doors for new therapeutic strategies in tackling diseases.

The fervor for optogenetics in neuroscience right now is pretty intense.  The novelty and hype surrounding these techniques has sometimes been a quick ticket into high-impact journals.  However, the field is quickly adapting and must soon reach a point where studies using optogenetics are appreciated purely for the quality of the science and importance of the questions that are addressed.

So yes, in time the hype and glitz of optogenetics will fade.  But it’s clear that this trend is here to stay.

Het verlichte brein

Alles wat ons mens maakt, gedachtes, herinneringen, gevoelens, religieuze ervaringen en psychische aandoeningen hebben hun oorsprong in het brein. Als je in detail zou kunnen kijken naar hoe elk van deze ervaringen en processen tot stand komen dan zou in je een flits neuronen zien oplichten en uitdoven, en elk proces zou z’n eigen specifieke patroon en ritme vertonen.

Het brein is de meest complexe structuur van het lichaam; miljarden neuronen zijn met elkaar verbonden en op de milliseconde nauwkeurig worden ze geactiveerd en gedeactiveerd. De enorme complexiteit maakt het vreselijk moeilijk om het brein te onderzoeken waardoor we weinig weten over hoe gedachtes en herinneringen worden gevormd en hoe een psychische aandoening als schizofrenie zich in het brein manifesteert.

Een belangrijk deel van het basale hersenonderzoek vindt plaats door bij muizen en ratten elektroden in de hersenen te steken en te kijken hoe ze daar op reageren. Deze methode is echter zeer grof; er is bijvoorbeeld weinig controle over welke cellen rondom de elektrode worden geactiveerd. Decennia lang wordt er al gezocht naar een meer nauwkeurige methode. Dat de oplossing al meer dan 30 jaar geleden zo goed als voor het oprapen lag realiseerden neurowetenschappers zich pas een aantal jaar geleden.

Aan het begin van de jaren 70 werden eiwitten in micro-organismen ontdekt die geactiveerd kunnen worden door licht. Deze eiwitten pompen onder invloed van licht bijvoorbeeld natrium de cel in. Gedurende 30 jaar onderzoek werden verschillende soorten van dit soort pompen geïdentificeerd. Echter de interesse naar deze eiwitten explodeerde na 2005 toen Karl Deisseroth van Stanford University de connectie maakte tussen deze ionen pompen en de manier waarop neuronen worden geactiveerd.

Deisseroth nam in 2004 een sprong in het diepe door een gedeelte van zijn onderzoeksgroep een op het eerste gezicht absurd experiment te laten uitvoeren. Hij dacht dat als hij zo’n lichtgevoelige pomp in een neuron kon introduceren dan zou de pomp na licht-activatie natrium naar binnen pompen, de neuron zou daardoor depolariseren en daarmee worden geactiveerd. Specifieke neuronen uitgerust met zo’n pomp zou hij dus op commando door middel van licht kunnen laten ‘vuren’. Veel wetenschappers waren sceptisch; het zou technisch te moeilijk zijn en een eiwit uit een obscure groene alg (Chlamydomonas reinhardtii) zou nooit in een neuron kunnen werken. Maar het hele experiment bleek fantastisch te werken; de neuron werd actief zodra er blauw licht op werd geschenen.

Deisseroth en andere wetenschappers hebben sindsdien laten zien dat deze techniek (optogenetics) zelfs in levende organismen heel precies bepaalde neuronen op gezette tijden kan activeren en inactiveren. Ongelofelijke experimenten zijn ondertussen uitgevoerd: bij muizen zijn herinneringen van een beloning (voedsel) ‘ingeplant’ door bepaalde neuronen te stimuleren wanneer de muis zich op een specifieke plek bevond. De muis heeft de beloning nooit echt gekregen maar blijft toch naar dezelfde plek terugkeren vol verwachting een beloning in ontvangst te nemen, en fruitvliegjes zijn zo ‘geprogrammeerd’ dat ze na het ervaren van licht vluchtgedrag vertonen. Naast deze robotachtige gedragingen geeft optogenetics op dit moment ook inzicht in de hersenpatronen die bij Parkinson, schizofrenie en narcolepsie een rol spelen.

Optogenetics is nog maar 5 jaar oud en is uitgeroepen tot de techniek van 2010 en zal ons in de komende jaren meer over onszelf te weten laten komen, hoe onze hersenen functioneren, waarom sommige mensen depressief zijn, ‘God voelen’, gelukkig of juist ongelukkig zijn. Die kennis zal ons uiteindelijk ook meer inzicht geven in wat ons mens maakt.

 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *