﻿빛을 사용하여 뉴런 흥분성 조작

빛을 사용하여 뉴런 흥분성 조작 새로운 광유전학 기반 도구를 통해 연구원은 뉴런이 전기 입력에 반응하는 방식을 제어할 수 있습니다. 날짜: 2022년 12월 7일 원천: 매사추세츠 공과대학 요약: 연구자들은 뉴런 활동의 장기적인 변화를 달성하는 방법을 고안했습니다. 새로운 전략으로 그들은 빛 노출을 사용하여 뉴런 막의 전기 용량을 변경하여 흥분성(전기 신호에 얼마나 강하게 또는 약하게 반응하는지)을 변경할 수 있습니다. 거의 20년 전에 과학자들은 뉴런에 빛을 비추어 뉴런을 자극하거나 침묵시키는 방법을 개발했습니다. 광유전학으로 알려진 이 기술을 통해 연구자들은 특정 뉴런의 기능과 이들이 다른 뉴런과 통신하여 회로를 형성하는 방법을 발견할 수 있습니다. 이 기술을 기반으로 MIT와 하버드 대학 연구원들은 이제 뉴런 활동의 장기적인 변화를 달성하는 방법을 고안했습니다. 새로운 전략으로 그들은 빛 노출을 사용하여 뉴런 막의 전기 용량을 변경하여 흥분성(전기 및 생리학적 신호에 얼마나 강하게 또는 약하게 반응하는지)을 변경할 수 있습니다. 신경 흥분성의 변화는 학습 및 노화를 포함하여 뇌의 많은 과정과 관련이 있으며 알츠하이머병을 포함한 일부 뇌 장애에서도 관찰되었습니다. "이 새로운 도구는 빛을 제어할 수 있고 장기적인 방식으로 뉴런 흥분성을 위아래로 조정하도록 설계되어 과학자들이 다양한 뉴런 유형의 흥분성과 동물 행동 사이의 인과관계를 직접 확립할 수 있게 할 것입니다."라고 Xiao Wang은 말했습니다. Thomas D.와 Virginia Cabot은 MIT 화학 조교수이자 MIT 및 Harvard Broad Institute의 회원입니다. "질병 모델에 대한 우리 접근 방식의 향후 적용은 미세 조정 뉴런 흥분성이 비정상적인 뇌 회로를 정상으로 재설정하는 데 도움이 될 수 있는지 여부를 알려줄 것입니다." Wang과 Harvard School of Engineering and Applied Sciences의 조교수인 Jia Liu는 오늘 Science Advances 에 게재된 논문의 수석 저자입니다 . MIT 화학과 대학원생 Chanan Sessler; Broad Institute의 박사후 연구원 Yiming Zhou; 그리고 Harvard의 대학원생인 Wenbo Wang이 이 논문의 주요 저자입니다. 멤브레인 조작 광유전학은 과학자들이 빛에 민감한 이온 채널을 표현하도록 조작하여 뉴런 활동을 조작하는 데 사용하는 도구입니다. 조작된 뉴런이 빛에 노출되면 채널을 통한 이온 흐름의 변화가 뉴런 활동을 억제하거나 촉진합니다. "빛을 사용하여 이러한 이온 채널을 열거나 닫을 수 있으며, 그러면 뉴런이 흥분되거나 침묵하게 됩니다. 실시간으로 빠른 반응이 가능하지만 이러한 뉴런을 제어하려면 끊임없이 조명을 비추고 있습니다."라고 Sessler는 말합니다. MIT와 하버드 팀은 활동의 일시적인 활성화나 억제가 아니라 흥분성의 변화를 더 오래 지속할 수 있도록 기술을 수정하기 시작했습니다. 이를 위해 그들은 막의 전기 전도 능력을 결정하는 핵심 요소인 세포막의 전기 용량을 변경하는 데 집중했습니다. 세포막의 용량이 증가하면 뉴런은 덜 흥분하게 됩니다. 즉, 다른 세포의 입력에 대한 반응으로 활동 전위를 발화할 가능성이 줄어듭니다. 커패시턴스가 감소하면 뉴런이 더 흥분됩니다. "뉴런의 흥분성은 전도도와 정전용량이라는 두 가지 막 특성에 의해 지배됩니다. 많은 연구가 이온 채널에 의해 실행되는 막 전도도에 초점을 맞추었지만, 자연적으로 발생하는 수초화 과정은 막 정전용량을 조절하는 것이 뇌 발달 동안 뉴런 흥분성을 조정하는 또 다른 효과적인 방법임을 시사합니다. 따라서 우리는 막 정전용량을 변경하여 뉴런 흥분성을 조정할 수 있는지 궁금했습니다."라고 Liu는 말합니다. 스탠포드 대학에서 박사후 연구원으로 있는 동안 Liu와 그의 동료들은 뉴런이 막에 전도성 또는 절연성 폴리머를 조립하도록 유도함으로써 뉴런의 흥분성을 변경할 수 있음을 보여주었습니다. 2020년에 발표된 이 연구에서 Liu는 폴리머를 조립하기 위해 퍼옥시다아제라는 효소를 사용했습니다. 그러나 이러한 접근 방식으로는 폴리머가 축적되는 위치를 정밀하게 제어할 수 없었습니다. 또한 반응에는 세포를 손상시킬 수 있는 과산화수소가 필요하기 때문에 약간의 위험이 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 Harvard의 Liu 연구실은 Wang의 MIT 연구실과 협력하여 새로운 접근 방식을 시도했습니다. 연구자들은 과산화효소를 사용하는 대신 고분자 형성을 촉매할 수 있는 유전자 조작된 빛에 민감한 단백질을 사용했습니다. 연구원들은 실험실 접시에서 성장한 뉴런으로 작업하면서 miniSOG로 알려진 이 빛에 민감한 단백질을 발현하도록 세포를 조작했습니다. 빛의 청색 파장에 의해 활성화되면 miniSOG는 반응성 산소 종이라는 반응성이 높은 분자를 생성합니다. 동시에 연구원들은 PANI로 알려진 전도성 폴리머 또는 PDAB로 알려진 절연 폴리머의 빌딩 블록에 세포를 노출시킵니다. 몇 분 동안 빛에 노출된 후 반응성 산소 종은 해당 빌딩 블록을 자극하여 PDAB 또는 PANI로 조립합니다. 전체 세포 패치 클램프(whole cell patch clamp)로 알려진 기술을 사용하여 연구원들은 전도성 PANI 폴리머를 가진 뉴런이 덜 흥분되는 반면 절연성 PDAB 폴리머를 가진 뉴런은 더 흥분된다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 더 긴 빛 노출이 흥분성에 더 큰 변화를 일으킨다는 것을 발견했습니다. "광유전적 중합의 장점은 중합 반응에 대한 정확한 시간 제어이며, 이를 통해 멤브레인 특성의 예측 가능한 단계적 미세 조정이 가능합니다."라고 Zhou는 말합니다. 오래 지속되는 변화 연구원들은 흥분성의 변화가 최대 3일 동안 지속된다는 것을 보여주었고, 이는 그들이 실험실 접시에서 뉴런을 살아 있게 유지할 수 있는 한 오래 지속되었습니다. 그들은 현재 이 기술을 적용하여 뇌 조직 조각에 사용할 수 있도록 노력하고 있으며, 그런 다음 생쥐나 벌레 C. elegans와 같은 동물의 뇌에서 사용할 수 있기를 바랍니다 . 이러한 동물 연구는 신경 흥분성의 변화가 다발성 경화증 및 알츠하이머병과 같은 장애에 어떻게 영향을 미치는지 밝히는 데 도움이 될 수 있다고 연구원들은 말합니다. "특정 질병에서 더 높거나 낮은 흥분성을 갖는 것으로 알려진 특정 뉴런 집단이 있는 경우 해당 뉴런 유형에서만 발현되는 광감작성 단백질 중 하나로 쥐를 형질전환하여 해당 집단을 잠재적으로 조절할 수 있습니다. 행동에 바람직한 영향을 미칩니다."라고 Wenbo Wang은 말합니다. "가까운 장래에 우리는 이러한 질병을 조사하기 위한 모델로 더 많이 사용하고 있지만 잠재적인 치료 응용 프로그램을 상상할 수 있습니다." 출처 : <a href="https://www.sciencedaily.com/" target="_blank" class="ke-link">https://www.sciencedaily.com/</a>