研究人员使用下一代视神经理来控制单一神经元

使用依赖于新型光敏蛋白质的技术，研究人员已经设计了一种使用光学机构控制单一神经元的方法。

麻省理工学院和巴黎的研究人员已经开发出一种新的致敏技术，雕刻光以靶向含有工程光敏分子的杀菌细胞，因此可以精确地刺激磷酸性神经元。

到目前为止，使用Optimetics将单个细胞瞄准单个细胞一直挑战，这些细胞通过这种精确控制在激活的时序和位置。这一新的提前铺平了研究瞬间细胞的研究以及这些细胞之间的连接，产生特定行为，例如启动运动或学习新技能。

“理想情况下，您想做的就像钢琴一样播放大脑。您希望独立控制神经元，而不是在传统的光学机构工作的方式中拥有它们的所有3月，但通常大脑没有做到，“脑和认知科学副教授和麻省理工学院的生物工程副教授以及麻省理工学院媒体实验室和麦戈文脑研究所的成员。

新技术依赖于一种可以嵌入神经元细胞体中的新型光敏蛋白质，与全息光成形结合，其可以将光聚焦在单个电池上。

Boyden and Valentina Emiliani是法国国家科学研究中心（CNRS）的研究主任，并在巴黎Descartes大学的神经光学实验室主任，是该研究的高级作者，它出现在11月13日的自然神经科学问题。牵头作者是MIT Postdoc或Shemesh和CNRS Postdocs Dimitrii Tanese和Valeria Zampini。

精确控制

10多年前，Boyden和他的合作者首先开创了被称为微生物Opsins的光敏蛋白质来操纵神经元电活动。这些Opsins可以嵌入神经元的膜中，并且当它们暴露于某些波长的光线时，它们静音或刺激细胞。

在过去十年中，科学家们使用这种技术来研究神经元人口在脑后组织中的表现方式，如记忆召回或习惯形成。传统上，许多细胞同时瞄准，因为光线闪耀到大脑中撞击相对大的区域。然而，正如Boyden所指出的那样，即使当它们彼此接近时，神经元也可能具有不同的功能。

“两个相邻的细胞可以具有完全不同的神经电图。他们可以完全不同的东西，回应不同的刺激，并在不同的任务期间发挥不同的活动模式，“他说。

为了实现单细胞的独立控制，研究人员组合了两种新进展：局部，更强大的OPSIN和优化的全息光整形显微镜。

对于OPSIN，研究人员使用了叫做Cochr的蛋白质，其中Boyden Lab在2014年发现。它们选择了该分子，因为它会产生非常强的电流，响应光（比通过通道射频-2产生的大约较强的10倍，所用于光学机构的第一蛋白质）。

它们将Cochr融合到一块小蛋白质，将Opsin引入神经元的细胞体，远离神经元体延伸的轴突和树突。这有助于防止神经元之间的串扰，因为激活一个神经元的光也可以撞击与靶神经元交织在一起的其他神经元的轴突和树枝状体。

Boyden然后与Emiliani合作，将这种方法与她以前开发的光刺激技术相结合，称为双光子计算机生成的全息术（CGH）。这可用于创建包围目标小区的三维雕塑。

传统全息术基于在没有该原始物体的情况下进行较轻的，以光，特定对象的形状。这是通过创建“干涉图”来实现的，该“干涉图”包含重建先前由参考光束照射的对象所需的信息。在计算机生成的全息术中，干扰图由计算机计算，而无需任何原始对象。几年前，Emiliani的研究组表现出与双光子激发相结合，CGH可用于重新聚焦激光，精确地照亮脑中的细胞或已定的细胞组。

在新的研究中，通过将这种方法与细胞体内聚集的新OPSIN结合，研究人员表明他们可以刺激磷的神经元，不仅具有精确的空间控制，而且对刺激的时机也很有控制。当它们靶向特定的神经元时，它每次始终响应，并且即使当细胞连续多次刺激电池时，也始终呈低于1毫秒的变化。

“有史以来第一次，我们可以为单细胞控制的精确度朝着神经计算的自然时间表，”Boyden说。

映射连接

使用这种技术，研究人员能够刺激脑切片中的单一神经元，然后测量与该细胞连接的细胞的反应。这铺平了大脑连接的可能图表，并分析这些连接如何在大脑执行任务或学习新技能时实时改变。

Boyden说，一个可能的实验将是刺激彼此连接的神经元，以尝试PUX，如果一个人控制其他，或者它们均接收来自FAR关控制器的输入。

“这是一个开放的问题，”他说。“是从远处驱动的给定功能，或者是否有一个局部电路，管辖动态，并拼出电路内的命令的确切链条？如果您可以在行动中捕获那个命令链，然后使用此技术证明这实际上是事件的因果关系，可以帮助您解释感觉或运动或决定如何发生。“

作为朝向这种类型的研究的一步，研究人员现在计划将这种方法扩展为活动物。它们还在致力于改善其靶向分子，并开发能够沉默神经元活动的高电流Opsins。

该研究由国家卫生研究院，法国国家研究机构，社会大脑的西蒙斯基金会，人类前沿科学计划，John Doer，公开慈善项目，霍华德休斯医学院，以及国防高级研究项目机构。

出版物：或者A. Shemesh等，“暂时精确的单细胞分辨率的光学机构，”自然神经科学（2017）DOI：10.1038 / S41593-017-0018-8