پروتئین هایی که به نور پاسخ می دهند، به دانشمندان اجازه می دهند که با دقتی مثال زدنی فعالیت نورون ها را به صورت انتخابی خاموش یا روشن کنند.

با وارد کردن این پروتئین ها به سلول های کشت داده شده و یا مغز حیوانات زنده، می توان برروی ساختار و عملکرد شبکه های عصبی تحقیقات گسترده ای انجام داد. ابزارهای اپتوژنتیک همچنین نوید استفاده های کلینیکی را می دهند . این مورد با قابلیت مدل سازی فعالیت مدارهای مغزی که در ناهنجاری های عصبی دخیل هستند و یا  بعنوان مثال با بازگرداندن بینایی از دست رفته امکان پذیر میشود.

روش های سنتی برای آنالیز عملکرد نورون ها، برپایه تحریک مستقیم توسط الکترودهای بسیار کوچک قرار دارند. اگرچه کارایی این روش با توجه به دقت فضایی و زمانی کم، نسبت به روشی که بتوان سلول های مجزا را به صورت انتخابی مورد هدف قرار داد، به شدت محدود است. بنابراین ابزارهای جدید اپتوژنتیک – که سویئچ های آن به طور معمول کدگذاری می شوند که به نورون ها اجازه خاموش و روشن شدن توسط نور را بدهند- این نوید را به دانشمندان می دهند که مطالعه کارکرد نورون ها به تنهایی یا به عنوان مجموعه ای از یک شبکه بزرگتر، متحول شود. و این روش سرانجام می تواند امید جدیدی برای درمان بیمارانی باشد که از ضعف بینایی یا ناهنجاری های عصبی مانند پارکینسون و صرع، رنج می برند.

خاموش و روشن شدن نورون ها:

در سطح ابتدایی، سیستم عصبی را می توان به عنوان یک مدار الکتریکی بسیار پیچیده تصور کرد. همه نورون ها مجموعه مختلفی از پمپ ها و کانال های پروتئینی دارند که جریان یون ها را از طریق غشا سلولی شان و با حفظ پتانسیل غشایی منفی در حالت استراحت نورون، کنترل می کنند. سیگنال های فعال سازی، برای مثال از انتقال دهنده های عصبی (neurotransmitters)، سبب می شوند که جریان یونی با بار مثبت از طریق کانال های پروتئینی، از محیط بیرون وارد سلول شوند. ورود سریع یون های سدیم که به طور موثری ولتاژ درون سلول را معکوس می کند و سبب آغاز فعالیت زنجیره ای ورود یون های سدیم می شود که در طول اکسون انتشار می یابد و در نهایت سبب آزاد شدن انتقال دهنده های عصبی می شود که تولید پالس های الکتریکی را در نورون های مجاور، تحریک می کنند و یا سرکوب می کنند.

مفید بودن کاربرد میکروالکترودها در تحریک مستقیم(کمتر برای بازداری) نورون ها در مطالعات نوروفیزیولوژی، به اثبات رسیده است. اگرچه محدودیت وضوح پایین در این آزمایشات، دانشمندان را مشتاق یافتن روشی جایگزین کرده است. پیشرفت در حوزه انتقال دهنده های عصبی “caged”- که به صورت شیمیایی اصلاح می شوند تا غیر فعال بمانند، مگر اینکه توسط نور لیزر تحریک شوند“uncaged”- و اصلاح شیمیایی کانال های یونی Photo-switchable، امکان پیشرفت های قابل توجهی در دقت مطالعات کاربردی را فراهم کرده است، اگرچه با امکانات محدود و تنها در برخی کاربردها.
اما تحول حقیقی با کشف پروتئین channelrhodopsin جلبک ایجاد شد که اجازه ورود یون های مثبت را در پاسخ نوردهی با نور آبی، به عنوان یک سویئچ “روشن” می دهد. چند سال بعد، دانشمندان قابلیت پروتئین halorhodopsin را دریافتند که ورود یون های کلرین با بار منفی را در پاسخ به نور زرد، فعال می کند و در نتیجه سلول را hyperpolarie می کند و به عنوان سویئچ “خاموش” عمل می کند.
هر دو این پروتئین ها را می توان به وسیله تکنیک های ویروسی، به سلول هدف وارد کرد و این امکان برای دانشمندان فراهم شده است که با دقت و سرعت بالا، نورون ها را به صورت مجزا خاموش و روشن کنند، بدون اینکه به دارو و یا ماده شیمیایی دیگری نیاز باشد.

یک نمونه کاربردی در زمینه رفتار

چگونه عمل می کند:

کنترل آزمایش و سخت افزار، درون نرم افزار EthoVision XT برنامه ریزی شده است. رابط مستقیم شامل بلوک های شرطی و عملگر است که می توانید (drag & drop) و به فرم منطقی پروتکل عمل کننده خود، وصل کنید.

برای مثال :
هنگامی که EthoVision XT رفتار خاصی را در حیوان ثبت می کند، مانند بودن در یک منطقه خاص (شرطی سازی به محل)
هنگامی که EthoVision XT ترجیح یک غذای خاص را که ارائه شده ، ثبت می کند
هنگامی که EthoVision XT فیدبک سخت افزاری را ثبت می کند ( مانند فشار اهرم در آزمایشات شرطی سازی عملی)
هنگامی که EthoVision XT یک ارتباط اجتماعی خاص را میان یک حیوان یا تعداد بیشتری، ثبت می کند
هنگام انجام آزمایش محرک Off-on-off (برای مثال تحریک ممتد به مدت 5 دقیقه با 5 دقیقه بدون تحریک در قبل و بعد آن)

تجهیزات تحریک اپتوژنتیک:

EthoVision XT هنگامی که برنامه ریزی شد، سیگنال ها را از طریق USB IO-box ارسال می کند که از طریق دستگاه ارائه تحریک به حیوان متصل است (برای مثال لیزر یا LED که با فیبر نوری متصل است). این ابزارها می توانند اتصال داشته باشند و یا در درون یونیت سقف فنوتایپ باشند. مثال هایی از دستگاه هایی شامل این ابزارها از Prizmatix و Plexon است.

اپتوژنتیک و رفتار:

در دهه پیش، روشی اختراع شده است که به طور خاص، برای فعال کردن (activate) و یا حتی مهار (inhibit) دسته کوچکی از نورون ها به وسیله نوربه کار می رود. امروزه، دانشمندان می توانند پروتئین های گیرنده حساس به نور (که به طور طبیعی در جلبک یافت می شود) را به تک نورون ها در داخل بدن وارد کنند که این عمل، نورون ها را به فعال شدن با یک طول موج خاص حساس می کند. این تکنیک به دانشمندان اجازه می دهد که فعالیت های این نورون ها را کنترل کنند و تاثیرات پایین دستشان را بر روی پروسه های بیولوژیکی مختلف، مطالعه کنند.

اپتوژنتیک پیشرفتی قابل توجه برای مطالعات رفتاری است که با کمک آن، نه تنها می توان اثر واقعی نورون های خاص را روی یک رفتار، به صورت ویژه مشخص کرد، بلکه با کمک سیستم های خودکار ردیابی ویدئویی، می توان از طریق روش های اپتوژنتیک، رفتار را در لحظه دستکاری کرد. این جایی است که Noldus وارد می شود: چالش جدی برای EthoVision XT و آزمایش کنترل سخت افزاری.

اجزا بسته اپتوژنتیک:

از مزایای این بسته کامل که شاملEthoVision XT و دستگاه تحریک اپتوژنتیک است، بهره مند شوید و یک قرارداد سرویس رایگان دریافت کنید.
EthoVision XT
کامپیوتر
دوربین ویدئویی
دستگاه تحریک اپتوژنتیک
کنترل آزمایش و سخت افزار اپتوژنتیک

اپتوژنتیک را می توان به روش های مختلفی مورد استفاده قرار داد. برای مثال، تحریک اپتوژنتیک نورون ها در ناحیه مغزی با فانکشن های شناخته شده، می تواند به جای داروها یا الکترودهای تحریک کننده ، در روندهای فعال کننده و یا بازدارنده مورد استفاده قرار داد.
کنترل آزمایش و نرم افزار EthoVision XT توانایی تحریک اپتوژنتیک در آزمایشات رفتاری را فراهم می کند. شما می توانید به صورت خودکار محرک را بر اساس رفتاری که توسط EthoVision XT مشخص می شود، خاموش یا روشن کنید. خودکار بودن در مقایسه با خاموش و روشن کردن محرک به صورت دستی، دقت زمانی بهتری خواهد داشت. همچنین روش بسیار ارزشمندی در مطالعات طولانی مدت است.

مثال هایی از تحقیقات:

ترجیح مکان خاص:

حیوان در مکانی قرار می گیرد که از دو بخش کاملا متفاوت تشکیل شده است- یکی از موارد با تحریک اپتوژنتیک همراه شده است. بسته به اینکه تحریک فعال کننده است یا بازدارنده و اینکه کدام نورون ها درگیر هستند، این تحریک برای حیوان می تواند جنبه پاداش یا تنبیه داشته باشد. اگر در جلسات بعدی، حیوان زمان بیشتری را در قسمت محرک گذراند، این نتیجه گیری طبیعی است که اثرات پاداشی برای محرک در نظر گرفته شود. و اگر حیوان از این قسمت دوری کرد، می توان محرک را با اثر منفی درنظر گرفت.

شرطی کردن عملی:

در آزمایشات شرطی کردن عملی، به حیوان می آموزند که برای گرفتن پاداش یا دوری از محرک تنبیهی، اهرمی را فشار دهد، سنسوری را لمس کند و یا فعالیت دیگری انجام دهد. این رفتار را می توان توسط EthoVision XT ثبت کرد، یا به وسیله تشخیص حیوان (یا اثر بینی اش) در ناحیه مشخص مانند غذا دهنده و یا به وسیله آنالیز سیگنال خارجی تماس بینی یا فشار اهرم ناشی از این عمل. وEthoVision XT برای محرک اپتوژنتیک فرمان صادر می کند.

تست محرک Off-on-off در ماز به شکل :

کنترل نرم افزار و آزمایش سیستم EthoVision XT حتی در آزمایشات سرراستی که از اپتوژنتیک استفاده می کنند، ارزشمندی خود را به اثبات رسانده است. تست محرک Off-on-off مثال خوبی است که شما می توانید EthoVision XT را برنامه ریزی کنید که محرک اپتوژنتیک را برای مدت زمانی در طول آزمایش، روشن کند. برای مثال دکتر Stuber ، آزمایش 15 دقیقه ای را تشریح می کند که تحریک پیوسته اپتوژنتیک در 5 دقیقه میانی آن انجام گرفته است. در این آزمایش فانکشن های ضد اضطراب و اضطراب زای نورون ها مورد بررسی قرار گرفت. این آزمایش در یک ماز به علاوه شکل مرتفع انجام شد. اگر حیوان در فاز تحریک، زمان قابل توجهی را در یکی از بازوهای باز ( که به صورت خودکار توسط EthoVision XT تشخیص داده می شود) بگذراند، تحریک نورون ها دارای اثر ضد اضطراب در نظر گرفته می شود.

مطالعه عمومی اثرات رفتاری تحریک نورونی:

تعداد زیادی تست حرکتی در پاسخ به محرک اپتوژنتیک، مشابه آزمایشاتی که در بالا توضیح داده شد، وجود دارد. سرعت، تحرک و حتی حرکت دورانی رفتارهای پراهمیتی هستند و می توانند اطلاعات زیادی درباره نقش نورون هایی که به طور اپتوژنتیکی تحریک می شوند، بدهند.