光遺伝学

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光遺伝学(optogenetics、オプトジェネティクス[1])とは、光でタンパク質を制御する手法の総称である。光学遺伝学を融合した研究分野であり、特に神経回路機能を調べるために発展している。神経系における情報処理を理解するため、哺乳類やその他の動物においてin vivoでのミリ秒単位の時間的精度をもった制御を特徴とする。

概要[編集]

光遺伝学という用語は、2006年に最初に用いられた (Deisseroth 2006)。

光活性化イオンチャネルであるチャネルロドプシン2またはハロロドプシンを特定のニューロンに遺伝子工学的手法を用いて強制的に発現させた後、これらの細胞に特定の波長の光を照射することにより、標的とするニューロンをそれぞれ興奮または抑制させることができる。

光遺伝学の対象は急速に拡大している。そのひとつは低分子量G蛋白質である。2009年にKlaus Hahnらにより、phototropinを使用したPA (photoactivatable)-Racが報告された (Wu et al 2009)。 Neuroscience 2009では、同じグループにより既にPA-RhoA, PA-Cdc42なども作られていることが報告された。

Neuroscience 2009では、スタンフォード大学カール・ダイセロスにより、チャネルロドプシン2にGPCRを融合させた型の光遺伝学ツールが発表された。これにより、光刺激でcAMP、IP3、DAGといったセカンドメッセンジャーの産生を局所で制御できる。

光遺伝学の研究手法は、ネイチャーメソッドにより「メソッド・オブ・ザ・イヤー2010」に選ばれた[2]

神経科学の分野では、光で膜電位を計測する膜電位イメージングと組み合わせ、従来の電気生理学的手法に代わる、「光で神経の電気的特性を解明するツール」光学的電気生理学 (all-optical electrophysiology) としても用いられる。


光学用途の材料。[編集]

別の必要な要素は、特定のタイプの細胞を、脳の奥でも、動物の行動で制御できるようにするためのハードウェア(たとえば、光ファイバーと半導体の統合光源)です。自由に。

ほとんどの場合、後者は現在、2007[3]年に導入された光ファイバー結合ダイオードの技術を使用して実行されます4。これは透明でマウスの頭蓋骨に埋め込まれるように変更されており、光波がより深く浸透して個々のニューロンを刺激または阻害できるようになっています[4]

大脳皮質などの脳の浅い領域を刺激するために、光ファイバーまたはLEDを動物の頭蓋骨に直接取り付けることができます。より深く埋め込まれた光ファイバーは、脳のより深い領域に光を提供するために使用されてきました。光ファイバーアプローチに加えて、自由に行動する生物の複雑な行動の妨げられない研究のために、ポータブルLEDを備えたワイヤレス電源を使用して、完全にワイヤレスの技術が開発されました。

オプトジェネティクスの刺激として使用される有機LED(OLED)の使用に関する最近の進歩[5]。パルスモードでの操作により、互換性のある温度の領域で神経刺激が可能になります。微生物オプシンを発現するニューロンの正確な刺激制御は、ミリ秒のオーダーの時間スケールでインビトロで実証されています。

文献[編集]

  • Deisseroth K, Feng G, Majewska AK, Miesenbock G, Ting A, Schnitzer MJ. Next-generation optical technologies for illuminating genetically targeted brain circuits. J Neurosci. 2006 Oct 11; 26(41):10380-6. PMID 17035522
  • Wu YI, Frey D, Lunqu OI, Jaehriq A, Schlichting I, Kuhlman B, Hahn KM. A geneticaly encoded @hotoactivatable RAc controls the motility of living cells. Nature 2009 Sep 3; 461(7260):104-8. PMID 19693014

関連項目[編集]

脚注[編集]

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  1. ^ 岡本卓, 和田秀樹『依存症の科学 いちばん身近なこころの病』化学同人、2016年、142頁。ISBN 978-4-7598-1815-4
  2. ^ Method of the Year 2010
  3. ^ Aravanis, Alexander M; Wang, Li-Ping; Zhang, Feng; Meltzer, Leslie A; Mogri, Murtaza Z; Schneider, M Bret; Deisseroth, Karl (2007-09-01). “An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology”. Journal of Neural Engineering 4 (3): S143–S156. doi:10.1088/1741-2560/4/3/S02. ISSN 1741-2560. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2560/4/3/S02. 
  4. ^ Damestani, Yasaman; Reynolds, Carissa L.; Szu, Jenny; Hsu, Mike S.; Kodera, Yasuhiro; Binder, Devin K.; Park, B. Hyle; Garay, Javier E. et al. (2013-11). “Transparent nanocrystalline yttria-stabilized-zirconia calvarium prosthesis” (英語). Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine 9 (8): 1135–1138. doi:10.1016/j.nano.2013.08.002. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1549963413003614. 
  5. ^ Matarèse, Bruno F. E.; Feyen, Paul L. C.; de Mello, John C.; Benfenati, Fabio (2019-10-22). “Sub-millisecond Control of Neuronal Firing by Organic Light-Emitting Diodes”. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 7: 278. doi:10.3389/fbioe.2019.00278. https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fbioe.2019.00278/full. 

外部リンク[編集]