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Was ist das spezifischste Verhalten, das wir mit Optogenetik steuern oder induzieren können?

Was ist das spezifischste Verhalten, das wir mit Optogenetik steuern oder induzieren können?


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Optogenetik wird in den Neurowissenschaften sehr häufig verwendet, um zu untersuchen, wie das Verhalten durch Populationen von Neuronen gesteuert wird. In einem viel zitierten Nature-Papier aus dem Jahr 2011 haben beispielsweise Lin et al. zeigen, dass sie aggressives Verhalten bei Mäusen auslösen können, indem sie Neuronen im Hypothalamus stimulieren. Es scheint jedoch viele verschiedene Gründe zu geben, warum eine Maus gewalttätig werden kann. Es könnte Schmerzen haben, es könnte seine Nachkommen verteidigen, es könnte mit anderen Mäusen um etwas konkurrieren oder es könnte einfach nur einen Hirnschaden erleiden und sein Verhalten nicht kontrollieren (und wir wissen, dass Optogenetik ohne Stimulation induziert) aberrante Aktivität im Mausgehirn und führt manchmal zu Krampfanfällen: Aberrante kortikale Aktivität in multiplen GCaMP6-exprimierenden transgenen Mauslinien)…

Meine Frage lautet also: Was sind die spezifischsten und genauesten Verhaltensweisen, die wir heute mit Optogenetik steuern und induzieren können?


Lichter an

Viele Jahre bevor Deisseroth anfing, an Optogenetik zu basteln, hatte Francis Crick – der Nobelpreisträger, der die Struktur der DNA mitidentifizierte – argumentiert, dass die Neurowissenschaften ein Werkzeug brauchen, um einen Zelltyp im Gehirn zu kontrollieren, während die anderen unverändert bleiben. Ein solches Werkzeug, sagte er, würde Neurowissenschaftlern die Möglichkeit geben, bestimmte Gruppen von Neuronen ein- und auszuschalten, um mehr über die Funktionsweise des Gehirns zu erfahren.

Jahrzehnte später diskutierten Wissenschaftler auf der ganzen Welt immer noch über Möglichkeiten zur Verwirklichung dieser Vision, einschließlich einiger Ansätze mit Licht. Deisseroth beschloss, den Ansatz seines Labors auf Proteinen aufzubauen, die als mikrobielle Opsine bezeichnet werden und in einzelligen Organismen vorkommen. Er begann mit einem Opsin aus Grünalgen (auch bekannt als Teichschaum) namens Channelrhodopsin, das vom deutschen Wissenschaftler Peter Hegemann entdeckt wurde.

Dieses Protein reagiert auf Licht in einer Weise, die mit dem Feuern von Neuronen verwandt ist – es bildet einen Kanal auf der Zelloberfläche, der sich öffnet und Ionen in die Zelle lässt. Im Nerv öffnet sich dieser Kanal, wenn er ein Signal zum Feuern erhält. Bei den Algen öffnet es sich als Reaktion auf Licht. Wenn Channelrhodopsin dazu gebracht werden könnte, dasselbe in einem Neuron eines lebenden Tieres zu tun, könnte es eine Möglichkeit bieten, die Aktivität dieses Neurons mit Licht zu kontrollieren – vielleicht sogar während des Verhaltens von Tieren.

Das Konzept schien theoretisch möglich, aber riskant, und tatsächlich dauerte es viele Jahre, bis es bei lebenden Tieren funktionierte. Die Bereitstellung der erforderlichen großen Anzahl von Opsinen in bestimmte Zellgruppen im Gehirn und das gezielte Einbringen von Licht in die Tiefe des Gehirns stellten beide eine Herausforderung dar, und viele Opsine wurden anfangs nicht gut produziert oder von Neuronen vertragen.

Als alle Schlüsselelemente schließlich zusammenpassten, waren sie in der Lage, mithilfe von Glasfasern ein winziges Licht auf eine Gruppe von Neuronen zu richten, die Opsine in lebenden Tieren beherbergen, und bewirkte, dass genau diese bestimmte Untergruppe von Neuronen entweder feuerte oder auf kontrollierte Weise zum Schweigen gebracht wurde normales oder krankheitsbedingtes Verhalten.

"Karl hatte die Erkenntnis, wie wichtig das sein würde", sagt Malenka, die auch Nancy Friend Pritzker-Professorin ist. "Die Idee war im Umlauf, aber er erkannte die Bedeutung der Entdeckung von Channelrhodopsin und ließ sie funktionieren."


Manipulation des Gedächtnisses durch Optogenetik: Ein Gespräch mit den Neurowissenschaftlern Xu Liu und Steve Ramirez

In den letzten Jahren haben die MIT-Neurowissenschaftler Xu Liu und Steve Ramirez Ideen in die Realität umgesetzt, die nur in Science-Fiction möglich erscheinen. In ihrem Labor konnten Liu und Ramirez künstliche Erinnerungen in Mäusen erzeugen. Ihre Arbeit veranschaulicht die zunehmende Fähigkeit von Neurowissenschaftlern, Lernen und Gedächtnis im Gehirn zu kontrollieren, zu manipulieren und zu konstruieren. In ihrem TEDx Boston-Talk erklärte Ramirez: „Der Geist mit seinen scheinbar mysteriösen Eigenschaften besteht tatsächlich aus physischem Material, an dem wir basteln können.“

Das Werkzeug, das es Liu und Ramirez ermöglicht, das Gehirn zu basteln, zu erforschen und zu manipulieren, ist die Optogenetik – der Prozess, bei dem Forscher die DNA eines lichtempfindlichen Proteins in bestimmte Neuronen einbringen und es ihnen ermöglichen, diese bestimmten Neuronen mit Blitzen ein- und auszuschalten von Licht. (Eine kurze Einführung in die Funktionsweise der Optogenetik finden Sie in diesem Video vom McGovern Institute for Brain Research des MIT).

Optogenetischer Aufbau bei Ratten, der zeigt, wie Licht verwendet wird, um bestimmte Neuronen zu aktivieren und zu deaktivieren (WikiCommons)

Die im letzten Jahrzehnt entwickelte Optogenetik hat ein enormes Potenzial gezeigt, um Forschern beim Verständnis der Gehirnfunktion und bei der Behandlung von Gehirnerkrankungen zu helfen, da sie im Gegensatz zur Elektrostimulation oder pharmakologischen Methoden eine sehr präzise Aktivierung und Deaktivierung von Neuronen ermöglicht. Diese Präzision hat es Liu und Ramirez ermöglicht, ihre bahnbrechenden Experimente durchzuführen. Neben Lernen und Gedächtnis wurde die Optogenetik zur Untersuchung von Schmerz, Sucht, Schlaf und Sozialverhalten eingesetzt und als eine für den Erfolg der neuen BRAIN-Initiative des Weißen Hauses entscheidende Technologie hervorgehoben.

Wir haben uns kürzlich mit Liu und Ramirez vom Tonegawa Lab am MIT getroffen, um mehr darüber herauszufinden, wie sie bei Mäusen falsche Erinnerungen erzeugen konnten, und um zu diskutieren, was die Zukunft der optogenetischen Forschung bringen könnte.

Anne West: Können Sie die Logik beschreiben, wie Sie bei Mäusen falsche Angsterinnerungen aufbauen konnten?

Xu Liu: Erinnerung ist keine feste, unveränderliche Sache. Tatsächlich nehmen Sie jedes Mal, wenn Sie sich an etwas erinnern, einige Änderungen an dieser Erinnerung vor, die in Ihrem Gehirn gespeichert wird. Deshalb entwickelt sich das Gedächtnis im Laufe der Zeit. In diesem Fall haben Steve [Ramirez] und ich ein Erinnerungsgedächtnis induziert, aber gleichzeitig haben wir dem Tier auch neue Informationen geliefert. Diese neuen Informationen werden in dieses reaktivierte Gedächtnis aufgenommen und wenn es zurückgespeichert wird, ändert es das Gedächtnis. So haben wir dieses sogenannte „künstliche“ oder „falsche“ Gedächtnis implantiert. Es basiert auf einem normalen Phänomen, das mit allen möglichen Erinnerungen passiert.

AW: Wie konnten Sie einer Maus eine falsche Angsterinnerung einpflanzen?

XL: Wir können Wege finden, Zellen zu markieren, die bei der Bildung eines Gedächtnisses aktiv sind, und später eine Technologie namens Optogenetik verwenden, um genau dieselbe Zellpopulation im Gehirn zu aktivieren. Auf diese Weise können wir eine Erinnerung abrufen. In der Studie aus dem Jahr 2012 haben wir den Abruf einer neutralen Erinnerung an einen Kontext oder eine bestimmte Umgebung – eine Box – aktiviert und gleichzeitig, wenn wir Licht verwenden, um diese Erinnerung zu reaktivieren, auch einen Schock ausgelöst. Dies alles findet in einer völlig anderen Umgebung statt als die erste. Wir wollen die reaktivierte Erinnerung von Box 1 künstlich mit dem echten Schock in Box 2 assoziieren. In Wirklichkeit wurde das Tier in Box 2 geschockt. Aber durch dieses Experiment wurde dem Tier vorgetäuscht, dass es in Box 1 geschockt war. Wenn Sie das Tier wieder in Box 1 setzen, zeigt es ein Einfrieren und zeigt ein Verhalten, das darauf hinweist, dass es ein Angstgedächtnis hat, weil es Box 1 mit dem Schock assoziiert (siehe Abbildung unten).

Bild: Evan Wondolowski von Collective Next

AW: Welche weiterführenden Fragen zum Lernen und Gedächtnis wollten Sie beantworten, als Sie dieses Experiment entworfen haben, das eine Erinnerung an falsche Angst erzeugt?

XL: Der ganze Grund, warum dies [funktioniert], basiert auf der Eigenschaft des Gedächtnisses, dass Sie ein falsches Gedächtnis bilden können, während Sie neue Informationen präsentieren.

SR: Genau das ist meine Antwort. In diesem Fall sagt es uns 2 Dinge. Aus Human- und Tierstudien wissen wir bereits, dass das Gedächtnis kein Tonbandgerät der Vergangenheit ist. Es ist eigentlich ein rekonstruktiver Prozess, bei dem Sie Teile der Vergangenheit wieder in diese Erinnerung einfügen, um sie nicht zu einer vollständig genauen, veridischen Darstellung der Vergangenheit zu machen. Der Begriff, den viele Verhaltensneurowissenschaftler verwenden, ist, dass das Gedächtnis „labil“ ist – es unterliegt Veränderungen. Aber könnten wir ein Gedächtnis künstlich labil machen und ihm neue Informationen in Form von Fußschocks hinzufügen? Das könnte uns viel darüber sagen, was der Hippocampus tut – wenn der Hippocampus daran beteiligt ist, diese Erinnerungen wieder zum Leben zu erwecken, zurück in ihren labilen Zustand, dann könnte die gleichzeitige Einführung neuer Informationen neue Informationen in diese Erinnerung bringen.

AW: Warum haben Sie sich entschieden, Optogenetik einzusetzen, um Lernen und Gedächtnis zu testen?

Steve Ramirez: Die Optogenetik ermöglicht eine beispiellose Kontrolle über bestimmte Zellgruppen. Kein Werkzeug vor der Optogenetik konnte auf der Millisekunden-Zeitskala wirken, die Ihr Gehirn verwendet, außer vielleicht Elektrizität, aber das Problem ist, dass, wenn Sie eine bestimmte Gruppe von Zellen im Hippocampus ansprechen möchten, die ein bestimmtes Gedächtnis unterstützen, Elektrizität nur auf diese Zellen gerichtet ist ist fast unmöglich, weil das Gehirn bereits hauptsächlich über Elektrizität kommuniziert. Wenn Sie dorthin gehen und wahllos einen Teil des Gehirns zappen, zappen Sie viel mehr als nur diese Erinnerung. Der raffinierte Teil der Optogenetik ist, dass Gehirnzellen normalerweise nicht auf Licht reagieren. In diesem Fall reagieren also nur diejenigen auf Licht, die Sie austricksen, um auf Licht zu reagieren. In [diesem] Fall können Sie tatsächlich Licht in das Gehirn schießen, benachbarte Zellen intakt lassen, und die einzigen, die reagieren, sind die, die Sie bereits ausgewählt haben. Sie untersuchen das Gehirn also auf der Zeitskala, auf der es kommuniziert, was das „Ass im Loch“ ist, das die Optogenetik zu dem Erstaunlichen macht, was sie ist.

AW: Welche Auswirkungen hat Ihre Arbeit mit Optogenetik im Mausgehirn auf das menschliche Gehirn und unser Verständnis von Lernen und Gedächtnis?

SR: Das große Ding hier ist, dass wir zeigen konnten, dass wir eine schnelle optische Kontrolle über einen definierten Satz von Zellen haben, die uns die Kontrolle über ein bestimmtes Gedächtnis gibt. Die Tatsache, dass wir das sogar können, ist ein Beweis für die Macht der Wissenschaft. Die Konsequenzen für den Menschen sind, dass [diese] eine Idee mächtig ist. Wir haben jetzt eine definierte Kontrolle über einen definierten Satz von Zellen, die zum Abrufen einer bestimmten Erinnerung führen. Das einzige, was das Feld davon abhält, [ähnliche Experimente] an nichtmenschlichen Primaten oder am Menschen durchzuführen, ist die technologische Anpassung.

Wir konnten zeigen, dass wir eine schnelle optische Kontrolle über einen definierten Satz von Zellen haben, die uns die Kontrolle über ein bestimmtes Gedächtnis gibt.

Die Frage ist jetzt nicht "Können wir eine Erinnerung reaktivieren?" denn diese Antwort ist „Ja“. Die Frage ist jetzt: „Wie können wir das skalieren? Wie können wir das bei nichtmenschlichen Primaten tun? Und das auf ethisch rücksichtsvolle Weise?“ Aber es ist nicht mehr die Frage des „ob“ – es ist die Frage des „Wie machen wir das“, weil wir wissen, dass wir es können – zumindest bei Mäusen.

AW: Stellen Sie sich vor, dass die Optogenetik in etwa 10 Jahren beim Menschen eingesetzt wird?

SR: Es wird bereits bei nichtmenschlichen Primaten verwendet. Ich sehe, dass es verwendet wird, wenn die richtige Frage gestellt wird – sagen wir zum Beispiel Anfälle. Wir wissen, dass manchmal bestimmte Arten von Anfällen einen ursprünglichen Brennpunkt im Gehirn haben. Ein kleiner Ball aus Gehirnzellen beginnt spastisch und außer Kontrolle zu schießen. Es dominiert eine Art Domino und übernimmt das gesamte Gehirn und Sie haben einen Anfall. Was wäre, wenn Sie Licht auf den problematischen Fleck richten könnten? Historisch gesehen mussten Sie hineingehen und es herausschöpfen und dieses neurale Gewebe loswerden. Was wäre, wenn Sie diesen kleinen problematischen Fleck lichtempfindlich machen könnten und eine Art Lichtsender haben, der diesen Fleck erreichen könnte, erkennen, wenn er eine Schwelle überschreitet [bedeutet], dass es einen Anfall geben wird, dann schalten Sie ihn aus? ? Das ist nicht einfach, aber konzeptionell einfach umsetzbar.

Dinge wie das Reaktivieren und Inaktivieren des Gedächtnisses sind für mich ein ganz anderes Tier. Prinzipiell ist [es] möglich, aber die Technologie existiert noch nicht. Ich würde es gerne sehen, wenn es implementiert wird und es ist nur eine Revolution davon entfernt, aber derzeit halte ich es nicht für möglich. Das Beste, was wir in Ihr Inneres sehen können, ist ein fMRT, und das können wir nur mit einer Auflösung von 10 von 1000 von Gehirnzellen sehen, während es schwierig ist, eine Erinnerung inmitten dieses Meers von Gehirnzellen zu finden. Die Technik ist noch nicht da.

AW: Gibt es mögliche Anwendungen der Optogenetik für andere Zellen innerhalb des menschlichen Körpers, aber außerhalb des Gehirns?

XL: Die Menschen versuchen, alle Arten von Werkzeugen zu entwickeln, die sich auf andere Zelltypen anwenden lassen, nicht nur auf Neuronen. Mit Licht können Sie die Transkription und Translation von Genen oder anderen molekularen Signalwegen in den Zellen steuern. Auf diese Weise können Sie möglicherweise nicht nur Neuronen im Gehirn, sondern auch andere Zellen lichtkontrollierbar manipulieren. Dabei kann es sich um eine Behandlung von Krebs oder Diabetes handeln. Derzeit entwickeln die Menschen immer mehr Werkzeuge, um den Anwendungsbereich der Optogenetik zu erweitern. Das sehe ich als sehr spannenden Anfang an.

AW: Was ist das häufigste Missverständnis über Ihre Arbeit und die Optogenetik-Forschung im Allgemeinen?

SR: Erstens gibt es viel Sensationsgier, insbesondere in Bezug auf unser Papier von 2012, weil wir falsche Erinnerungen geschaffen haben. Eine der größten Verwirrungen in unserem Papier war, dass wir falsche Erinnerungen „implantieren“, indem wir eine Erinnerung von Grund auf neu erschaffen, dass wir sie aus dem Ziegelstein und Mörtel von „Erinnerungszeug“ erschaffen. Vielmehr kombinieren wir Elemente, die bereits im Gehirn vorhanden sind.

Auch die Beziehung zwischen diesem Experiment mit Mäusen und falschen Erinnerungen beim Menschen ist unklar. Es gibt Möglichkeiten zu sehen, wie sehr sie miteinander in Beziehung stehen, aber es [gab] viel Sensationslust [sagte], dass dies in den kommenden Jahren für den Menschen genutzt werden könnte. Das ist ein Irrglaube, denn nie übersetzt Arbeit so schnell oder perfekt über die Evolutionsleiter. Es gibt so viele Sprünge, die von der Arbeit an Mäusen bis hin zu Menschen gemacht werden müssen, und das schließt die ethischen Auswirkungen nicht ein. Leute, die diese Parallele zwischen Mäusen und Menschen schnell ziehen, denken, dass es über Nacht passieren wird, aber das ist nicht so. Im Prinzip möglich, aber nicht in absehbarer Zeit.

AW: Was war der schwierigste Teil Ihrer Forschung mit Optogenetik zur Untersuchung von Lernen und Gedächtnis bei Mäusen?

XL: Wenn Sie ein neues Konzept haben, ist es manchmal so neu, dass das Feld auf Widerstand stößt. Als wir dies zum Beispiel zum ersten Mal als Zuschussantrag vorschlugen und ihn an das NIH schickten, um eine Finanzierung zu erhalten, wurde dieser Antrag damals tatsächlich abgelehnt, weil die Leute Zweifel hatten. Die Leute dachten nicht, dass das funktionieren würde. Aber zum Glück sagte er mit starker Unterstützung von Dr. Susumu Tonegawa, dass dies eine gute Idee sei und wir daran arbeiten sollten. Und innerhalb von 2 Jahren haben wir daraus tatsächlich 2 hervorragende Arbeiten veröffentlicht.

Wenn eine neue Idee auftaucht, stößt man manchmal auf Widerstand. Jetzt, wo es möglich ist, führen Menschen in anderen Labors auf der ganzen Welt solche Experimente durch. Sie öffnen also ein Fenster, aber wenn Sie das Fenster öffnen, springen alle hinein. Sie müssen über die Menge denken. Sie müssen sich überlegen: „Was mache ich als nächstes?“ Es ist klar, dass Sie nicht genau dasselbe tun können. Der lustige Teil ist weg, wenn Sie dies nicht tun. Sie müssen neue Ziele identifizieren, neue Bereiche, an denen Sie arbeiten müssen.

SR: Jeder Wissenschaftler hat dazu eine andere Philosophie. Xu und ich könnten unsere Karriere damit verbringen, eine Angsterinnerung im Gebiss zu reaktivieren. Aber für uns würde ich nicht sagen, dass es langweilig wäre, aber es wäre nicht mehr so ​​aufregend. Nach dem Reaktivierungsteil hätten wir testen können „Kannst du ein Angstgedächtnis in den Hirnarealen A, B, C, D, E, F, G reaktivieren?“ Bam, das ist die ganze Karriere. Manche Leute tun das. Aber für mich und Xu waren die nächsten Fragen die Fragen des falschen Gedächtnisses. Die nächsten Fragen sind die Fragen zum positiven Gedächtnis, die Depressionsfragen und die sozialen Gedächtnisfragen.

Es ist nicht unser Stil, die kleinen Fragen zu stellen, die nur ein kleines bisschen davon charakterisieren, wie diese Erinnerung aussehen könnte. Es geht eher um "Was ist die nächste große Frage, die möglicherweise eine ganz neue Art des Studiums dieses Gebiets eröffnen könnte?" Die sind super spannend. Sie sind hart und sie sind schwierig, und sie sind wirklich schwer auszuführen und es gibt absolut viel Widerstand. Aber sie sind diejenigen, die dir den größten Adrenalinschub geben, wenn du einen positiven Kontakt mit der Realität aufbaust, etwas entdeckst und eine so große Frage stellst.

AW: Möchten Sie noch etwas hinzufügen?

SR: Das Einzige, was ich jedem raten würde, ist, dass diese scheinbar Science-Fiction-Fragen, die wir gestellt und zum Teil in Mäusen ausgeführt haben, das Ergebnis einer riesigen Zusammenarbeit waren. Ich weiß, wie wettbewerbsfähig und hart das akademische Umfeld heutzutage sein kann, aber es muss nicht so sein. Der Grund, warum diese Projekte so schnell liefen, wie sie funktionierten, ist, dass Xu und ich Teamplayer sind. Bei beiden Projekten haben wir uns gegenseitig sehr geholfen. Es war ein riesiges, teamorientiertes Unterfangen. Das hat in erster Linie Spaß gemacht, und es hat doppelt so schnell geklappt – zwei Gehirne sind besser als eins. Jetzt arbeitet ein ganzes Team an diesem Projekt. Diesen teamorientierten Geist möchte ich für den Rest meiner Karriere beibehalten, weil es mir zu viel Spaß gemacht hat.

XL: Sie können Ihr eigenes kleines Geheimnis bewahren, aber Sie können es nur eine begrenzte Zeit lang behalten. Wir lassen unser sogenanntes „Team X“ enorm wachsen. [Hier] gibt es Leute, die ähnliche Methoden anwenden, aber kreativ andere Arten von Fragen stellen oder Fragen, die wir noch nie zuvor in Betracht gezogen haben. Jeder hatte brillante Ideen, aber wenn wir unsere Ideen zusammenbringen, können wir zusammenarbeiten und das wird viele weitere spannende Momente für uns schaffen.

Offenlegung: Anne West war zuvor bei Xu Liu’s Lab interniert.


Gehirnkreislauf bei zwanghaftem Trinken bei Mäusen identifiziert

Ein bestimmendes Merkmal des Alkoholismus ist zwanghaftes Trinken trotz negativer Folgen. Dreißig Prozent der Amerikaner erleben irgendwann in ihrem Leben eine klinisch definierte Alkoholkonsumstörung (AUD). Mehr als die Hälfte erholt sich, aber das lässt immer noch Millionen von Menschen allein in den USA mit lebenslangem Alkoholismus zu kämpfen. &bdquoAlkoholkonsumstörungen und übermäßiger Alkoholkonsum töten mehr Menschen als Opiate&rdquo, sagt die Neuropharmakologin Kimberly Nixon von der University of Texas in Austin. &bdquoDie Leute neigen dazu, das zu vergessen.&rdquo

Die meisten Menschen entwickeln keine AUD, selbst wenn sie viel trinken oder Essattacken, aber es ist wenig über die Faktoren bekannt, die die Anfälligkeit für langfristiges zwanghaftes Trinken bestimmen. Eine neue Studie unter der Leitung des Pharmakologen Cody Siciliano von der Vanderbilt University und der Neurowissenschaftlerin Kay Tye vom Salk Institute for Biological Studies beschreibt einen neuronalen Schaltkreis, der das zwanghafte Trinken in einem Mausmodell kontrolliert. Die Aktivität in diesem Kreislauf sagt Wochen im Voraus voraus, welche Mäuse trotz negativer Folgen weiter trinken werden, wenn sie die Chance haben.Die Studie identifiziert nicht nur einen gehirnbasierten &ldquobiomarker&rdquo für die Anfälligkeit für zwanghaftes Trinken, sondern zeigt auch ein potenzielles neues Ziel für die Entwicklung von Therapeutika für AUD und möglicherweise für Substanzgebrauchsstörungen im Allgemeinen.

In der Studie, veröffentlicht am Donnerstag in Wissenschaft, trainierten die Forscher zuerst Mäuse, ein Geräusch mit der Zufuhr von Zucker über eine Röhre in ihr Gehege zu assoziieren. Als nächstes ersetzten die Forscher während einer &ldquoprebinge&rdquo-Phase Zucker durch Alkohol. Später gaben sie den Tieren Alkohol gemischt mit Chinin (das einen bitteren Geschmack hat, als Bestrafung oder als &ldquoaversive&rdquo Konsequenz verwendet). Während einer „Binge&rdquo-Phase hatten die Mäuse entweder keinen Zugang zu Alkohol oder für zwei bis vier Stunden am Tag unbegrenzten Zugang zu Wasser und Alkohol. In einer abschließenden &ldquopostbinge&rdquo-Phase erhielten die Mäuse erneut Alkohol, dann Alkohol plus Chinin. Das Team teilte die Mäuse in Gruppen ein, basierend auf ihrem Alkoholkonsum in der Post-Binge-Phase. &ldquoLow-Trinker&rdquo tranken wenig, während &ldquoHigh-Trinker&rdquo anfangs viel tranken, jedoch nicht nach der Wiedereinführung von Chinin. Die dritte, &bdquo.zwanghafte&rdquo-Gruppe trank viel und ließ sich durch das zugesetzte Chinin nicht abschrecken. Die Forscher verwendeten auch leichte Schocks als Bestrafung und sahen ähnliche Trinkmuster, die zeigten, dass diese Unterschiede nicht spezifisch für Chinin waren.

Tye und ihre Kollegen vermuteten, dass zwei Gehirnregionen beim zwanghaften Trinken eine Rolle spielen. Der mediale präfrontale Kortex (mPFC) ist eine höhere Hirnregion, die an der Verhaltenssteuerung und anderen &ldquoexekutiven&rdquo-Funktionen beteiligt ist, wie Urteilsvermögen und Entscheidungsfindung (die bei Drogen- und Alkoholkonsumstörungen beeinträchtigt sind). Das dorsale periaquäduktale Grau (dPAG) ist eine Hirnstammregion, die am besten für ihre Rolle bei Schmerzen bekannt ist, aber Tye und andere hatten zuvor gezeigt, dass Neuronen, die den mPFC mit dem dPAG verbinden, aversive Erfahrungen verarbeiten. In der neuen Studie verwendete das Team ein High-Tech-Bildgebungsverfahren namens Calcium Imaging, um die Aktivität von Hunderten dieser &ldquomPCF-dPAG&rdquo-Neuronen zu Beginn der Prebinge-Phase zu visualisieren.

Obwohl es zu diesem Zeitpunkt keine Unterschiede im Alkoholkonsum zwischen den zwanghaften Mäusen und den anderen Gruppen gab, zeigten sie eine deutliche neuronale Aktivität. Die Aktivität in mPFC-dPAG-Neuronen während des ersten Alkoholleckens der Mäuse sagte voraus, welche Mäuse drei Wochen vor dem tatsächlichen Auftreten des Verhaltens in einer späteren Phase der Studie einen zwanghaften Alkoholkonsum entwickeln würden. &bdquoDas ist, was&rsquo so spannend ist&rdquo, sagt Nixon, der nicht an der Studie beteiligt war, aber einen begleitenden Kommentar in derselben Ausgabe von . geschrieben hat Wissenschaft. &bdquoDies ist ein individueller Unterschied bei diesen Tieren&mdas und vielleicht bei Menschen&mdash, der sie später auf schwere Symptome vorbereitet.&rdquo

Die zwanghaften Mäuse zeigten im Vergleich zu den anderen Mäusen einen höheren Anteil an hemmenden oder bremsartigen Signalen als an erregenden. Die Forscher glauben, dass dieses Muster der Gehirnaktivität die Übertragung aversiver Signale im mPFC-dPAG-Kreislauf stört und die Empfindlichkeit gegenüber Bestrafung verringert. Um zu beweisen, dass die Schaltung das Verhalten auf diese Weise steuert, verwendeten sie eine Technik namens Optogenetik, um mPFC-dPAG-Neuronen mit Licht steuerbar zu machen. Sie zeigten, dass „das Abschalten„ der Kreislauf das zwanghafte Trinken steigerte (die Mäuse ignorierten Chinin mehr), während das Einschalten eine Bestrafung nachahmte und den Alkoholkonsum reduzierte. &bdquoSie erhalten eine dauerhafte Reduzierung des Alkoholkonsums, was wirklich aufregend ist&rdquo Tye&ndash&ldquot;die Idee, dass es etwas Lernen oder plastische Veränderungen gibt, die über diesen bestimmten Tag hinaus andauern.&ldquo

Der mPFC-dPAG-Gehirnkreislauf stellt ein neues Behandlungsziel dar. &bdquoDieser Hirnstammbereich wurde sehr übersehen&ldquo, sagt Nixon. &bdquoEs ist ein Kreislauf, den wir in Betracht gezogen hatten, der wahrscheinlich über neuartige pharmakologische Kontrollsysteme verfügt, die wir uns ansehen können.&rdquo Tye und Kollegen haben einen Anfang gemacht. &bdquoWir suchen&ldquor nach arzneimittelfähigen Zielen&mdashkleinmolekularen Rezeptoren auf Zelloberflächen, die für den Schaltkreis einzigartig sind&ldquo, sagt sie. &bdquoWenn wir in Zukunft synaptische Plastizität in diesen Schaltkreisen induzieren können, können wir psychiatrische Krankheitszustände möglicherweise nicht nur behandeln, sondern hoffentlich sogar heilen.&rdquo Die Identifizierung schaltkreisspezifischer neuronaler Rezeptoren wird wichtig sein, um Nebenwirkungen zu vermeiden.

Es bleiben jedoch viele grundlegende Fragen. &bdquoEs ist noch viel zu tun, um die Rolle dieser Schaltung zu verstehen&ldquo, sagt der Neurowissenschaftler Jeff Dalley von der University of Cambridge, der nicht an der Studie beteiligt war. &ldquoWas sind die neurochemischen Akteure, wie sind diese hemmenden und erregenden Signale?&rdquo Es ist auch nicht klar, wie relevant die Verwendung von Chinin oder Schocks als negative Folge für das komplexe psychologische Phänomen der menschlichen Sucht sind, bei dem die Folgen typischerweise weit entfernt sind Zeit von der Tat. Tye behauptet jedoch, dass es Analogien wie Konsumbarrieren (zum Beispiel die Schließung der Bar oder höhere Preise) gibt. &bdquoDas sind sofortige Strafen, über die ein zwanghafter Trinker zweimal nachdenken würde&rdquo, sagt sie.

Die wichtigste Einschränkung besteht jedoch darin, dass Wissenschaftler noch nicht wissen, wie ähnlich Mäuse dem Menschen sind, was die Signalkodierung im Schaltkreis und die Existenz eines prädiktiven Biomarkers betrifft. &bdquoDas&rsquo müssen wir jetzt erforschen&ldquo Tye. Nichtsdestotrotz &bdquo.selbst die Idee, dass es einen Biomarker im Gehirn geben könnte, der die spätere Entwicklung von zwanghaftem Trinken vorhersagt, ist ein großer Durchbruch, auf den wir uns sehr freuen.&rdquo


Neues Tool zur Identifizierung und Kontrolle von Neuronen

Seit Wissenschaftler das Gehirn erforschen, fragen sie sich, ob die von ihnen beobachtete Biologie wirklich mit äußeren Verhaltensweisen in Verbindung gebracht werden kann. Die Forscher bauen ein umfassendes Verständnis der biophysikalischen, molekularen und zellulären Interaktionen von Neuronen auf, aber der direkte Bezug dieser Interaktionen auf äußeres Verhalten ist eine ständige Herausforderung auf diesem Gebiet. "Die biophysikalischen Eigenschaften von Neuronen sind ziemlich bekannt", sagte Hyungbae Kwon, Ph.D., Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Florida-Institut für Neurowissenschaften (MPFI). "Was wir nicht genau wissen, ist, wie diese Verbindungen und Kommunikationen unser Verhalten auslösen."

Dies ist die ehrgeizige Frage, die Dr. Kwon und sein Labor beantworten möchten, indem sie das Gehirn aus einer ganz neuen Perspektive betrachten. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Natur Biotechnologie im Juni 2017, Dongmin Lee, Ph.D. und Jung Ho Hyun, Ph.D., Postdoktoranden im Kwon Lab, beschreiben ein neues Werkzeug, das sie entwickelt haben, um Neuronen zu identifizieren und zu kontrollieren. Die neue Technik namens Calcium and Light-Induced Gene Handling Toolkit oder "Cal-Light" ermöglicht es Forschern, die neuronalen Aktivitäten, die dem Verhalten zugrunde liegen, mit noch nie dagewesener Spezifität zu beobachten und zu manipulieren, was es den Forschern hoffentlich ermöglicht, die Kausalität zwischen neuronaler Aktivität und Verhalten zu identifizieren .

Bisher verwendeten Forscher, die neuronale Aktivität in Echtzeit beobachten wollten, häufig eine Technik namens Calcium Imaging. Die Technik macht sich die Tatsache zunutze, dass aktiv feuernde Neuronen einen Zustrom von Kalzium erhalten. Das Markieren der Kalziumionen mit Fluoreszenzfarbstoff macht es einfacher, sie in Echtzeit feuern zu sehen, aber es bindet sie nicht an bestimmte neuronale Populationen.

Aufbauend auf der traditionellen Calcium-Bildgebung und neueren optogenetischen Techniken zur Manipulation der neuronalen Aktivität verknüpft das Cal-Light-System die fluoreszierende Genexpression mit Aktivität und Licht. Die Neuronen fluoreszieren nur, wenn sie feuern und ein Forscher sie mit einem speziellen Licht beleuchtet. Schaltet der Forscher das Licht aus, hören die Neuronen auf zu fluoreszieren, was das Signal-Rausch-Verhältnis und die zeitliche Spezifität stark erhöht. Sobald Forscher mithilfe von Cal-Light eine Zellpopulation identifiziert haben, die an einer bestimmten Aktivität beteiligt ist, können sie diese Zellen mithilfe der Optogenetik manipulieren. Auf diese Weise können sie Verhaltensweisen unglaublich präzise sezieren und möglicherweise sogar dazu beitragen, Beweise für kausale Zusammenhänge zu entwickeln.

Um zu zeigen, dass die Cal-Light-Technik wirksam ist, testete die Gruppe von Dr. Kwon sie zunächst in Zellkultur und dann in vivo in einem Mausmodell. In dem Modell verwendete das Team die Technik, um eine Population von Neuronen im motorischen Kortex zu identifizieren, zu kennzeichnen und zu manipulieren, die feuerten, wenn eine Maus einen Hebel drückte, um als Reaktion auf einen Reiz eine Belohnung zu erhalten. Nachdem die interessierenden Neuronen identifiziert und markiert waren, präsentierte sein Team den Stimulus der Maus, während er die Neuronengruppe optogenetisch hemmte. Wenn Zellen inhibiert wurden, drückte die Maus den Hebel nicht mehr, was zeigt, dass die Aktivität dieser Zellen für die Maus notwendig war, um das Verhalten auszuführen.

Diese neu entwickelte Technik bietet eine beispiellose Möglichkeit, indem sie Neuronen markiert, die bestimmte Aktionen steuern, und Mittel zur Verfügung stellt, um sie zu kontrollieren. Laut Dr. Kwon "bietet die Cal-Light-Technik die Möglichkeit, die neuronalen Schaltkreise zu analysieren, die komplexen Verhaltensweisen, Empfindungen und Kognitionen zugrunde liegen, und führt einen neuen Weg ein, komplexe Fragen in der Neurowissenschaft anzugehen."


Pflichtlektüre für die Sucht

Kommunikation über Sucht: Genauigkeit oder Entfremdung?

5 Wege, wie wir Süchtige bestrafen – und warum wir aufhören sollten

Die angenehmen Assoziationen einer Belohnung werden durch die Zugabe von Glutamat in die neurobiologische Mischung in den Synapsen fest verdrahtet. Neuronen, die zusammen feuern, sind im Allgemeinen miteinander verbunden. Glutamat scheint der Klebstoff zu sein, der diese synaptischen Bindungen zusammenhält. In meinem Buch, Der Weg des Athleten, beschreibe ich Glutamat mit den Worten: „Es gibt ein Protein namens Glutamat, das Synapsen zusammenbrennt. Glutamatbindungen sind schwer aufzulösen."

Schlussfolgerung: Das Aufbrechen von Glutamat-abhängigen Bindungen enthält Hinweise zur Behandlung von Sucht

Wenn Neurowissenschaftler herausfinden können, wie Glutamat festverdrahtete neuronale Netzwerke bindet, wird dies unser Verständnis von Motivation, Verlangen, lustsuchendem Verhalten und Sucht erheblich verbessern. Diese Forschung könnte zu besseren kognitiven Therapien für belohnungsgesteuertes Verhalten und zu potenziellen pharmazeutischen Behandlungen für Sucht führen.


Man sagt, dass der Schlüssel zum Herzen eines Mannes durch den Magen geht. Eine biologisch genauere Metapher wäre, dass Ihr Darm mehrere Schlüssel enthält – nicht zu Ihrem Herzen, sondern zu Ihrem Gehirn. Bemerkenswerterweise ist der Darm in der Lage, die Fähigkeit des Gehirns zu verändern, sensorische Informationen zu verarbeiten und Verhalten zu generieren. Dies wird durch die Freisetzung von Darmhormonen in den Blutkreislauf erreicht, die dann in das zentrale Nervensystem gelangen und die Gehirnaktivität verändern. Entgegen der landläufigen Meinung sind Gehirn und Körper also nicht durch eine untrennbare Barriere voneinander isoliert, sondern stehen in einem fein geregelten Dialog, um den Bedürfnissen des gesamten Organismus zu dienen.

Tierische Gehirne haben die erstaunliche Fähigkeit, riesige Mengen an sensorischen Informationen aufzunehmen, unwichtige Informationen herauszufiltern und die entsprechende Verhaltensreaktion zu erzeugen. Normalerweise denken wir darüber nach, wie das Gehirn sensorische Informationen verarbeitet, die von der Außenwelt kommen, aber es durchsucht auch ständig Signale, die aus dem Inneren des Organismus stammen. Während unsere Augen, Ohren und andere Sinnesorgane Informationen über das, was extern passiert, an das Gehirn weiterleiten, leiten eine Vielzahl von im Körper erzeugten Signalen Informationen darüber weiter, was intern passiert. Zum Beispiel übermitteln verschiedene Stoffwechselsignale – darunter Moleküle wie Glukose und Insulin – Informationen über den Bedarf des Körpers an das zentrale Nervensystem. Diese Art der Gehirn-Körper-Interaktion reguliert, wie hungrig oder gesättigt („gesättigt“) wir uns fühlen, und fördert letztendlich Verhaltensweisen, die diese Bedürfnisse befriedigen. Auf diese Weise trägt „die Weisheit des Körpers“ dazu bei, dass der Organismus handelt, um ein richtiges inneres Gleichgewicht oder die Homöostase aufrechtzuerhalten [].

Ausgeschüttete Darmhormone beeinflussen das Gehirn und das Verhalten

Die beiden bekanntesten Hormone, die an der Regulierung von Hunger und Sättigung beteiligt sind, sind Ghrelin und Leptin (siehe [] für eine hilfreiche Grafik). Der Magen sondert Ghrelin ab, wenn der Körper kalorische Energie benötigt. Die Injektion von Ghrelin in Labortiere löst bei intravenöser Verabreichung ein nahrungssuchendes Verhalten aus. Menschen berichten, dass sie Hunger haben, selbst wenn sie satt sind. Neuroimaging-Studien haben gezeigt, dass Darmhormone wie Ghrelin die Art und Weise verändern, wie das Gehirn auf sensorische Informationen reagiert, insbesondere wenn es um Nahrung geht []. In einem Experiment mussten die Teilnehmer über Nacht fasten, bevor sie ein kontrolliertes Frühstück zu sich nahmen, bevor sie einen Gehirnscanner betraten. Sobald sie drinnen waren, wurden ihnen Bilder von Lebensmitteln und Nicht-Lebensmitteln gezeigt, während die Basismessungen vorgenommen wurden. Anschließend erhielten sie entweder das hungerfördernde Hormon Ghrelin oder Kochsalzlösung (die keinen Einfluss auf den Hunger hat) und bekamen neue Bilder gezeigt. Wichtig ist, dass die Teilnehmer nicht wussten, welche Injektion sie erhielten. Das Ergebnis: Probanden, die Ghrelin-Injektionen erhielten, zeigten verstärkte Reaktionen in Gehirnregionen, die an der Belohnungsverarbeitung und Motivation beteiligt sind, aber nur als Reaktion auf Lebensmittelbilder. Dies deutet darauf hin, dass bestimmte körperliche Bedürfnisse die Gehirnaktivität als Reaktion auf Reize, die für diese Bedürfnisse relevant sind, beeinflussen können. Die Grundidee, die durch die Arbeit an Versuchstieren gestützt wird, ist, dass Hungerzustände, die durch Hormone wie Ghrelin ausgelöst werden, die Belohnungsverarbeitung im Gehirn so verändern, dass sie dazu motiviert werden, in ihrer Umgebung nach einem bestimmten Gegenstand zu suchen: Nahrung.

Im Gegensatz zu Ghrelin wird das aus dem Darm stammende Hormon Leptin aus dem Fettgewebe sezerniert und wirkt als Sättigungssignal. Im Grunde ist es die Art des Körpers, dem Gehirn zu sagen: „Wir sind jetzt satt. Hör auf, nach Nahrung zu suchen.“ Tiere, denen das für Leptin oder seinen Rezeptor kodierende Gen fehlt, zeigen ein gefräßiges Fressverhalten und entwickeln krankhafte Fettleibigkeit (Abbildung 1). Leptin wird aktiv ins Gehirn transportiert und wirkt direkt auf die Gehirnzellen. Tiere mit ernährungsbedingter Adipositas zeigen eine Leptinresistenz, analog der Insulinresistenz bei Typ-II-Diabetes []. Dies bedeutet, dass der Körper nicht mehr normal auf den Anstieg des zirkulierenden Leptins nach einer Mahlzeit reagiert. Wenn Wissenschaftler Leptin jedoch direkt ins Gehirn verabreichen, zeigen dieselben Tiere normale Reaktionen (vermindertes Fressverhalten). Dies deutet darauf hin, dass ernährungsbedingte Fettleibigkeit zu einem fehlerhaften Transport dieser Hormone in das Gehirn führen kann. Mit anderen Worten, der Körper kann nicht mehr mit dem Gehirn kommunizieren, um eine entsprechende Verhaltensantwort zu erzeugen: „Hör auf zu essen!“


Abbildung 1: Im Vergleich zu normalen Mäusen (rechts) weisen Mäuse mit Leptinmangel (links) eine übermäßige Nahrungsaufnahme und ernährungsbedingte Fettleibigkeit auf. Bild von Wikimedia Commons.

Die direkte Verabreichung von aus dem Darm stammenden Hunger- und Sättigungshormonen in das Gehirn hat gezeigt, dass diese Moleküle wahrscheinlich bei einer Vielzahl von Gehirnprozessen eine Rolle spielen. Dazu gehören nicht nur die Regulation des Nahrungssuchverhaltens, sondern auch Belohnungsverarbeitung, Neurogenese sowie Lernen und Gedächtnis. Während die Auswirkungen peripherer Darmhormone auf eine so breite Palette von Gehirnfunktionen auf den ersten Blick seltsam erscheinen mögen, wird es sinnvoll, wenn man bedenkt, wie kognitiv und verhaltensbedingt die Nahrungssuche für Tiere in freier Wildbahn ist. Die breite Palette von Wirkungen, die Hormone wie Ghrelin und Leptin auf die Funktion des Zentralnervensystems haben, hat auch eine potenzielle klinische Relevanz und legt nahe, dass Behandlungen zur Bekämpfung von Fettleibigkeit durch eine Störung der Ghrelin-Sekretion Nebenwirkungen haben können, die über die Fettspeicherung und den Fettstoffwechsel hinausgehen [].

Assoziatives Lernen und die Motivation zum Essen: Auswirkungen auf Fettleibigkeit

Eine Vielzahl von Ess- und Stoffwechselstörungen, einschließlich Fettleibigkeit und Diabetes, sind in Ländern wie den Vereinigten Staaten (und zunehmend auch anderswo []) immer häufiger geworden. Ernährungsbedingte Fettleibigkeit prädisponiert Einzelpersonen für eine Vielzahl anderer Gesundheitsprobleme (Abbildung 2) und stellt eine enorme wirtschaftliche Belastung für die Gesellschaft dar []. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass an Orten mit einer Fülle an schmackhaften Lebensmitteln unser Kalorienbedarf in der Regel befriedigt wird und das Fressverhalten eher hedonisch („Das gefällt mir“) als homöostatisch („Ich brauche“ dies“) Faktoren. Kalorienreiche, nährstoffarme Lebensmittel sind leicht erhältlich, und wir werden häufig mit den Anblicken und Geräuschen von Logos und Werbung bombardiert, die wir gelernt haben, mit Lebensmittel-Belohnungen zu assoziieren. Basierend auf der Art und Weise, wie unser Gehirn darauf ausgerichtet ist, durch Assoziation zu lernen, lösen diese sensorischen Signale, die Lebensmittel vorhersagen, Hunger und Heißhunger aus, selbst wenn unser Kalorienbedarf bereits befriedigt ist.


Figur 2: Diätbedingte Fettleibigkeit prädisponiert Menschen für eine Vielzahl von medizinischen Komplikationen. Bild von .

Erlernte Assoziationen zwischen Lebensmitteln und Non-Food-Artikeln können ein hochspezifisches Fressverhalten auslösen. Ratten können zum Beispiel trainiert werden, einen einfachen Reiz, wie einen Ton, mit einer Futterbelohnung zu assoziieren. Wiederholte Darbietungen eines Tons mit einem bestimmten Futter führen zu einem Phänomen, das als „reizinduziertes Füttern“ bekannt ist gefütterte Ratten []. Darüber hinaus führt das Präsentieren des Stichworts während des Fressens dazu, dass die Ratten mehr konsumieren, als sie es ohne den Ton tun würden. (Es ist nicht schwer, sich ein ähnliches Phänomen bei der Arbeit vorzustellen, wenn wir den Anblick, Geräuschen oder Gerüchen unserer Lieblings-Fastfood-Restaurants begegnen.) Interessanterweise ist dieser Effekt spezifisch für das Essen, das mit dem Ton verbunden war. Wenn Ratten eine andere Art von Futter angeboten bekommen, fressen sie in Gegenwart des Stichworts nicht mehr. So kann ein einfacher sensorischer Stimulus ein scheinbar sehr spezifisches „Verlangen“ nach Nahrungsmitteln auslösen wir essen (siehe [] für ein kurzes Video zu diesem Thema).

Gibt es angesichts der nahezu konstanten Flut von sensorischen Hinweisen, die das Vorhandensein von leicht zugänglichen und sehr lohnenden Nahrungsmitteln signalisieren, irgendeine Hoffnung, die wachsende Epidemie ernährungsbedingter Fettleibigkeit und Stoffwechselstörungen einzudämmen? Ein Ansatz besteht darin, einfache Lebensstrategien hervorzuheben und zu fördern, die dazu beitragen, übermäßiges Essen zu reduzieren. Dies umfasst alles, von ausreichendem Schlaf [] bis hin zur bewussten Anstrengung, abzuschätzen, ob der Wunsch zu essen das Ergebnis eines echten körperlichen Bedürfnisses ist oder nur ein „sinnlicher Hunger“ []. Eine andere Idee, die von Forschern gerade erst erforscht wird, ist die Entwicklung von Therapien, die die Reaktion des Gehirns auf Nahrungsmittelreize beeinflussen. Wenn wir verstehen, wie Hunger- und Sättigungssignale wie Ghrelin und Leptin in das Gehirn gelangen und dessen Aktivitätsmuster beeinflussen, können wir möglicherweise Medikamente entwickeln, die diese Wirkung so verändern oder blockieren, dass das Nahrungssuchverhalten als Reaktion auf sensorische Hinweise (wie z als Werbung). Auch diese Forschungsrichtung steckt noch in den Kinderschuhen. Dies sollte jedoch zumindest als pikanter Denkanstoß dienen.


Modul 5A: Verwendung der Optogenetik mit C. elegans für forschende Schülerexperimente

In diesem Video demonstrieren Heather Rhodes und ihre Studenten, wie man die Ergebnisse einer untersuchungsbasierten Laborübung mit Optogenetik in . erstellt, durchführt und interpretiert C. elegans. Rhodos wird insbesondere:

  • Erklären Sie, wie Sie einfache, kostengünstige Geräte zusammenbauen, um ein forschungsbasiertes Optogenetik-Experiment mit Studenten im Grundstudium durchzuführen.
  • Demonstrieren Sie die optogenetische Stimulation, um das motorische Verhalten in zu manipulieren C. elegans mit ihren Schülern.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie besser verstehen, wie optogenetische Ansätze in Laborübungen für Studenten und Gymnasiasten integriert werden können.

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Was ist das spezifischste Verhalten, das wir mit Optogenetik steuern oder induzieren können? - Biologie

Ein umfassender Überblick über die Optogenetik.

Optogenetik ist eine Technik, bei der Licht verwendet wird, um die Aktivität von Zellen mit hoher zeitlicher und räumlicher Präzision zu manipulieren, entweder in vitro oder in vivo. Durch die selektive Ansteuerung einzelner Zelltypen und das Ein- und Ausschalten ihrer Aktivität über einen biologisch relevanten Zeitraum von Millisekunden bietet die Optogenetik einen weitaus höheren Grad an Spezifität und Kontrolle als mit Medikamenten oder Läsionen. Im Jahr 2010 erklärte Nature die Optogenetik zur „Methode des Jahres“, während Science sie als einen der Durchbrüche des letzten Jahrzehnts einstufte. Warum hat die Optogenetik so viel Aufsehen erregt?

1999 schlug Francis Crick – von DNA-Ruhm – in einer Reihe von Vorlesungen an der University of California in San Diego vor, dass es möglich sein sollte, mit Licht die Aktivität einzelner neuronaler Subtypen präzise zu steuern. Damals war noch nicht klar, wie dies erreicht werden könnte, aber die Antwort sollte erst wenige Jahre später kommen, als Forscher herausfanden, wie man einige der Vorgänge im Auge nachahmen kann.

Die Netzhaut erkennt Licht mit Hilfe von Photorezeptoren, die Energie aus Photonen in chemische Signale umwandeln, die die neuronale Aktivität verändern können. Photorezeptoren enthalten ein Pigment namens Rhodopsin (Abbildung 1), das aus Opsin – einem 7-Transmembran-Helix-Protein – und einem Cofaktor namens Retinal besteht, der an einen spezifischen Lysinrest in der 7. Helix bindet. Die Absorption eines Photons führt zur Isomerisierung des Retinals, wodurch von 11-cis-Retinal zu all-trans-Retinal gewechselt wird. Dies induziert eine Konformationsänderung im Opsin (als Bleichen bezeichnet), die zur Aktivierung einer G-Protein-gekoppelten Signalkaskade führt.

Eine Reihe von Forschern begann sich zu fragen, ob dieses System angepasst werden könnte, um die Steuerung der neuronalen Aktivität mit Licht zu ermöglichen. Gero Miesenböck, damals in Yale, und Mitarbeiter identifizierten drei Proteine, die für die Phototransduktion in Fruchtfliegen essentiell zu sein schienen: Rhodopsin, Arrestin-2 und die Alpha-Untereinheit des verwandten heterotrimeren G-Proteins. Als sie die Gene, die für diese drei Proteine ​​kodieren (die sie als „CharGe“ bezeichneten), in kultivierte Hippocampus-Neuronen einführten, feuerten die Neuronen Aktionspotentiale ab, wenn sie weißem Licht ausgesetzt wurden. Die Zeitverzögerung zwischen Lichtexposition und Aktionspotentialauslösung war jedoch sehr variabel (von einigen hundert Millisekunden bis zu mehreren zehn Sekunden) und das Drei-Gen-System war relativ komplex zu manipulieren [6].

Ein Durchbruch gelang 2005, als Karl Deisseroth und Ed Boyden von der Stanford University einen Weg fanden, Zellen mit nur einem einzigen Konstrukt lichtempfindlich zu machen. Schon seit den 1970er Jahren war bekannt, dass bestimmte einzellige Algen Licht nutzen, um den Fluss von Ionen durch ihre Plasmamembranen zu steuern, aber erst 2003 identifizierten Forscher das dafür verantwortliche Protein in Chlamydomonas reinhardtii (Abbildung 2.) [7]. Nagel et al. zeigten, dass die Algen einen nicht-selektiven Kationenkanal namens Channelrhodopsin-2 (ChR2) exprimieren, der direkt durch blaues Licht gesteuert wird. Die Lösung von Deisseroth und Boyden bestand darin, ChR2 in Hippocampus-Neuronen von Säugetieren einzuführen in vitro und zu zeigen, dass blaues Licht auf diese Zellen sie 1-2 Millisekunden später feuerte. Das Ausschalten des Lichts führte dazu, dass die Zellen aufhörten zu feuern, was ein einfaches und effektives Mittel zur Kontrolle der neuronalen Aktivität darstellt [8].

Die Kristallstruktur von Channelrhodopsin wurde Anfang 2012 aufgeklärt [9]. ChR2 besteht wie das Rhodopsin von Vertebraten aus dem lichtempfindlichen Protein Opsin und dem gebundenen Cofaktor Retinal. Im Gegensatz zu Rhodopsin ist ChR2 jedoch nicht an eine G-Protein-vermittelte Signalkaskade gekoppelt, sondern ChR2 enthält direkt einen Ionenkanal, wodurch es viel schneller auf Licht reagiert.

Wenn Neuronen ruhen, ist das Innere der Zelle relativ zum Äußeren negativ geladen. Dies erzeugt eine Potentialdifferenz über die Membran von ungefähr -70 mV (das Ruhepotential). Wenn ChR2 in der neuronalen Membran mit blauem Licht beleuchtet wird, isomerisiert all-trans-Retinal zu 13-cis-Retinal, und diese Konformationsänderung öffnet den ChR2-Kationenkanal. Positiv geladene Ionen fließen in die Zelle, die depolarisiert wird (die Potentialdifferenz über die Membran wird weniger negativ). Erreicht die Depolarisation eine kritische Schwelle, wird eine Ereigniskette eingeleitet, die letztendlich dazu führt, dass die Zelle ein Aktionspotential (Spiking) feuert. Das Ausschalten des blauen Lichts bewirkt, dass 13-cis-Retinal schnell zu all-trans-Retinal zurückkehrt, den Kanal schließt und die Zelle repolarisiert.

Seit ihrem ersten Proof-of-Concept-Experiment haben Deisseroth und Boyden optogenetische Konstrukte an Hunderte von Laboren auf der ganzen Welt geliefert, und die Verwendung der Technik nimmt weiter zu. Zhang X et al. injizierten beispielsweise AAV2/9-EF1α-DIO-ChR2-mCherry in den zentralen Kern der Amygdala und den paraventrikulären Kern bei Mäusen, um die neuronale Kontrolle humoraler Immunantworten in der Milz zu untersuchen [10]. Siciliano CA et al. injizierten AAV5-DIO-ChR2-eYFP in den medialen präfrontalen Kortex der Maus, um den zwanghaften Alkoholkonsum zu untersuchen [11]. Nakashima A et al. generierten olfaktorische sensorische Neuronen-spezifische ChR2-Mäuse, um die olfaktorische Kartenbildung zu untersuchen [12]. Marshel JH et al. entdeckten ein rotverschobenes Channelrhodopsin, ChRmine, durch funktionelles metagenomisches Screening des marinen mikrobiellen Eukaryot-Transkriptom-Sequenzierungsprojekts von Spezies Tiarina fusus Stamm LIS für ihre Untersuchung der kortikalen Schicht-spezifischen Dynamik während der Wahrnehmung [13]. ChRmine wurde verwendet, um neuronale Schaltkreise des tiefen Gehirns ohne intrakranielle Operation zu aktivieren [14].

Die reversible optogenetische Kontrolle der subzellulären Proteinlokalisation mit dem Rotlicht-induzierbarem Phytochrom (PHYB-PIF)-System von Arabidopsis und präziser Lichtbeleuchtung wurde in Zebrafischembryonen beschrieben [15] und wurde zu einem Protokoll namens optoSOS entwickelt, das verwendet wurde, um die Dynamik zu untersuchen der Ros-Erk-Signalübertragung in normalen und Krebszellen [16].

  1. Entwerfen Sie das Konstrukt. Das Gen, das für ein lichtempfindliches Opsin kodiert (z. B. ChR2, aber jetzt sind eine Reihe anderer mit unterschiedlichen Eigenschaften erhältlich) muss unter die Kontrolle eines Promotors gestellt werden, der seine Expression zum gewünschten Zeitpunkt und an dem gewünschten Ort steuert.
  2. Führen Sie das Konstrukt in die Zellen ein. Bei In-vitro-Experimenten kann dies durch Transfektion erreicht werden (z. B. durch Verwendung von Elektroporation oder Calciumphosphat, um „Löcher“ in die Zellmembran zu bohren, durch die das Konstrukt passieren kann, oder indem das Konstrukt in Liposomen platziert wird, die dann mit der Membran fusionieren und geben ihren Inhalt in die Zelle frei). Zum in vivo Arbeit wird das Konstrukt in der Regel in ein Virus verpackt, das dann in die Zielregion injiziert wird (virale Transduktion). Alternativ können transgene Mäuse erzeugt (oder in einigen Fällen gekauft) werden, die das Opsin unter der Kontrolle eines spezifischen Promotors exprimieren.
  3. Wählen Sie eine Lichtquelle aus. Zum in vivo Bei Experimenten handelt es sich in der Regel um eine LED oder einen Laser, der an ein Glasfaserkabel gekoppelt ist, um eine präzise Lichtabgabe an einen bestimmten Bereich zu ermöglichen.
  4. Messen Sie die Auswirkungen der Manipulation der Zellaktivität. Die gewählte Methode hängt von den spezifischen Zielen des Experiments ab, könnte aber auch Techniken wie elektrophysiologische Aufzeichnungen, Calcium-Imaging, opto-fMRT, Molekularbiologie oder Verhaltenstests umfassen, um nur einige zu nennen.

ChR2 ist nach wie vor eine tragende Säule des Optogenetik-Toolkits, es gibt jedoch auch eine Reihe zusätzlicher Varianten, die auf spezifische Eigenschaften ausgelegt sind. Dazu gehören die ChR1/VChR1-Familie von Channelrhodopsinen, bei denen es sich um potentere Versionen von ChR2 handelt, die durch rotverschobenes – statt durch blaues – Licht aktiviert werden, und CatCh, eine Variante mit einer beschleunigten Reaktionszeit und einer höheren Lichtempfindlichkeit aufgrund eines Anstiegs von Kalzium Durchlässigkeit [17, 18]. Venkatesh HS et al. transduzierten den lentiviralen ChR2-YFP-Vektor (pLV-ef1-ChR2(H134R)-eYFP WPRE) in SU-DIPG-VI- und SU-DIPG-XIII-FL-Zellen, um die optogenetische Depolarisation von Gliomen zu untersuchen [19]. Die Existenz von Kanalrhodopsinen, die gegenüber anderen Wellenlängen empfindlich sind, ermöglicht es, kombinatorische Experimente durchzuführen, bei denen die Aktivität mehrerer Zellpopulationen (von denen jede ein anderes Opsin exprimiert) gleichzeitig manipuliert werden kann. Die Empfindlichkeit gegenüber rotverschobenem Licht ist besonders wertvoll, da längere Wellenlängen dazu neigen, weniger zu streuen und daher tiefer in das Gewebe eindringen können.

Während die schnelle Aktivierungs- und Deaktivierungskinetik von ChR2 in einigen Experimenten vorteilhaft ist, erfordern andere Studien eine stabile neuronale Aktivierung über längere Zeiträume. Um dies mit ChR2 zu erreichen, wäre eine lange Beleuchtung des Gewebes erforderlich, was zu Schäden durch Überhitzung führen kann. Um dieses Problem zu überwinden, wurde eine Klasse von Opsinen entwickelt, die als Stufenfunktions-Opsine (SFOs) bekannt sind. Ein einzelner blauer Lichtimpuls schaltet den SFO-Kanal in einen offenen Zustand, der nach dem Ausschalten bis zu einer Minute aufrechterhalten wird (alternativ kann ein einzelner gelber Lichtimpuls den Kanal schließen). Stabilisierte Step-Funktions-Opsine (SSFOs) erweitern dieses Prinzip noch weiter und ermöglichen eine stabile Aktivierung von Neuronen mehrere Millimeter unter der Gehirnoberfläche mit nur einem kurzen Lichtimpuls geringer Intensität. Die Kanaldeaktivierungszeitkonstante von SSFOs beträgt ungefähr 29 Minuten [20]. Im Gegensatz dazu ermöglichen andere Varianten von ChR2, wie die ChETA-Familie [21] und ChIEF [22, 23], Neuronen dazu zu bringen, mit höheren Frequenzen zu feuern, als dies mit ChR2 möglich ist.

Um das neuronale Feuern zu hemmen, kann ein lichtempfindlicher nach innen gerichteter Chloridkanal namens Halorhodopsin (NpHR) verwendet werden, der aus dem Halobakterium Natronomonas pharaonis gewonnen wird. Bei Bestrahlung mit gelbem Licht leitet NpHR Chloridionen in die Zelle, die dadurch hyperpolarisiert wird. Die meisten Experimente verwenden heute ein „verstärktes“ Halorhodopsin namens eNpHR3.0, das mutagenisiert wurde, um größere Photoströme und eine effektivere Membranhyperpolarisation als NpHR zu erzeugen. Zum Beispiel injizierten Siciliano CA et al. antegradig transportierendes AAV5-CaMKIIα-eNpHR3.0-eYFP in den medialen präfrontalen Kortex der Maus, um eine Photoinhibition am dorsalen periaquäduktalen Grau zu erreichen [11]. Eine alternative Möglichkeit ist die Verwendung der lichtaktivierten Protonenpumpe nach außen, deren Aktivierung durch Archaerhodopsin (Arch) zu einem Auswärtsfluss von Protonen führt, was wiederum die Zelle hyperpolarisiert [24, 25]. Mutationen von Channelrhodopsinen führten zur Bildung eines anderen inhibitorischen lichtempfindlichen Chloridkanals, iChloC [26], und iChloC wurde von N. Kataoka et al. [23] verwendet.

Ein rotverschobenes Cruxhalorhodopsin, Jaws, aus Haloarcula (Halobacterium) salinarum (Stamm Hai) wurde ebenfalls entwickelt, um eine optische Aktivierung durch durchdringenderes rotes Licht zu ermöglichen [27]. Kim J et al. injizierten beispielsweise AAV8-hSyn-Jaws-KGC-GFP-ER2 aus dem UNC Viral Core in Long Evans-Ratten zur neuronalen Stummschaltung [28].

Doch nicht nur Ionenkanäle lassen sich mit Licht steuern: Mit OptoXRs lassen sich intrazelluläre Signalkaskaden aktivieren oder inhibieren. Dies sind Opsin-Rezeptor-Chimären, bei denen die intrazellulären Schleifen des Rhodopsin-Proteins durch intrazelluläre Schleifen von anderen G-Protein-gekoppelten Rezeptoren ersetzt wurden. Dadurch können G-Protein-vermittelte Signalkaskaden innerhalb von Zellen ein- und ausgeschaltet werden, wodurch zelluläre Aktivitätsmuster hervorgerufen werden, die potenziell physiologisch relevanter sind als diejenigen, die aus dem lichtinduzierten Öffnen und Schließen von Ionenkanälen resultieren.

Das Opsin der Wahl muss dann unter die Kontrolle eines Promotors gestellt werden, der seine Expression in Zellen steuert. Der einfachste Ansatz besteht darin, das Opsin stromabwärts eines starken ubiquitären Promotors wie Elongationsfaktor 1α (ELF-1α), Synapsin, Cytomegalovirus (CMV) oder CAG zu platzieren. Dies führt zu einer robusten Opsin-Expression in fast jedem Zelltyp, in dem das Konstrukt vorhanden ist. Alternativ können zelltypspezifische Promotoren wie die α-Calcium/Calmodulin-abhängige Kinase II (αCamKII), die in pyramidalen Neuronen des Vorderhirns exprimiert wird, verwendet werden, um die Opsin-Expression genauer zu bestimmen. Jedoch kann die Expression von diesen Promotoren im Vergleich zu der von ubiquitären Promotoren relativ schwach sein.

  • Elektroporation oder virale Vektoren. Die Mehrheit von in vivo Experimente verwenden virale Transduktion, um das Promotor-Opsin-Konstrukt einzuführen. Dies begrenzt die Größe des Promotors, da das gesamte Konstrukt in das Virus verpackt werden muss. Die am häufigsten verwendeten Viren sind Adeno-assoziierte Viren (AAV) und Lentiviren. Genmaterial im Wert von ungefähr 5 Kilobasenpaaren (kbp) kann in ein AAV verpackt werden, während Lentiviren ungefähr 8 kbp enthalten können. AAVs haben jedoch den Vorteil, dass sie ihre DNA im Zytoplasma der Wirtszelle replizieren können. Hirokawa J et al. injizierten beispielsweise den Adeno-assoziierten Virus 2/9 Serotyp, der EF1a-DIO-ChR2-EYFP32 oder hSyn-DIO- trägt.auson und CAV2-Cre 4.1E12 in das Striatum oder den orbitofrontalen Kortex der Ratte [29]. Zhang J et al. injizierten AAV-DIO-ChR2 oder AAV-DIO-GFP in eine bestimmte Region, um die Sour Sensing zu untersuchen [30]. Szőnyi A et al. injizierten AAV2/5-EF1α-DIO-hChR2(H134R)-eYFP aus Penn Vector Core in Hirnregionen von Mäusen, um die Rolle von GABAergen Zellen des Hirnstammkerns bei der kontextuellen Gedächtnisbildung zu untersuchen [31]. Im Gegensatz dazu müssen Lentiviren ihr genetisches Material (in Form von RNA) in das Wirtsgenom integrieren, was manchmal zu einer schädlichen Zerstörung von Wirtsgenen führen kann.
    Das Virus wird durch stereotaktische Injektion in das Zielgewebe eingebracht, woraufhin es viele Zellen infiziert. Jedoch werden nur diejenigen, die den ausgewählten Promotor exprimieren, das Opsin-Protein herstellen.
  • Verwendung des Cre-Rekombinase-Systems
    Einer der Nachteile der Verwendung zelltypspezifischer Promotoren besteht darin, dass sie relativ niedrige Genexpressionsniveaus hervorrufen können. Ein alternatives Mittel zum Erreichen einer robusten zelltypspezifischen Genexpression besteht darin, die Verwendung eines starken ubiquitären Promotors mit dem einer Cre-Rekombinase-Treibermaus zu kombinieren. Dies wird die Aktivierung des Promotors auf die gewünschten Zelltypen beschränken. Eine vollständige Diskussion des Cre-Rekombinase-Systems würde den Rahmen dieses Reviews sprengen. Kurz gesagt ist Cre-Rekombinase jedoch ein Enzym, das die ortsspezifische Rekombination zwischen zwei DNA-Erkennungssequenzen, die als loxP-Stellen bekannt sind, katalysiert. Jegliche DNA, die zwischen zwei loxP-Stellen der gleichen Orientierung vorhanden ist („floxed“ DNA), wird ausgeschnitten.
    In der Optogenetik wird ein Opsin-Gen oft stromabwärts eines starken ubiquitären Promotors (wie ELF-1α oder CMV) platziert, jedoch durch eine Stoppkassette von diesem getrennt. Wenn sie transkribiert und translatiert wird, führt die Stoppkassette ein Stoppcodon in die Polypeptidkette ein, wodurch die Expression des Opsins verhindert wird. Die Kassette wird jedoch von zwei loxP-Stellen flankiert. Das bedeutet, dass bei Injektion des Konstrukts in das Gehirn einer Cre-Treiber-Maus – in der Cre-Rekombinase in bestimmten Zelltypen oder Gehirnregionen exprimiert wird – die Stopp-Kassette entfernt und das Opsin exprimiert wird, jedoch nur in den Bereichen, die ausdrücken Cre.
    Aufgrund der Größenbeschränkungen viraler Vektoren können jedoch nur relativ kleine Stoppkassetten verwendet werden, was zu „Leakiness“ bei der Expression des Opsin-Gens in Cre-negativen Zellen führen kann. Um dieses Problem zu überwinden, verwenden viele Forscher jetzt virale Vektoren mit doppeltem Floxed Inverted Open Reading Frame (DIO), die eine selektive Cre-vermittelte Opsin-Expression liefern, ohne die Verwendung von Stoppkassetten zu erfordern. Kurz gesagt, eine invertierte Version des Opsin-Gens wird von zwei inkompatiblen loxP-Varianten flankiert. In Gegenwart von Cre-Rekombinase kommt es zur Inversion des Opsin-Gens und das Opsin wird exprimiert.
  • Fertige transgene Mäuse
    In den letzten Jahren ist es möglich geworden, Mäuse zu kaufen, die eine stabile Opsin-Expression unter der Kontrolle von Promotoren wie ChAT (spezifisch für cholinerge Neuronen) oder VGAT (GABAerge Interneurone) im gesamten Gehirn zeigen. Alternativ können Forscher eine Mäuselinie kaufen, die ein floxed-Opsin-Gen exprimiert, zusammen mit einer zusätzlichen Cre-Treiberlinie (von denen auch immer mehr Stückzahlen erhältlich sind). Die Kreuzung dieser beiden Linien erzeugt Nachkommen, die eine stabile Opsin-Expression in Cre-exprimierenden Geweben zeigen.

Opsine können nicht nur auf bestimmte Zelltypen gerichtet werden, sondern auch auf bestimmte Stellen innerhalb von Zellen (d. h. auf das Axon oder das Axonende von Neuronen anstatt auf den Zellkörper). Dies kann durch Fusion von Cre-Rekombinase mit Proteinen erreicht werden, die entlang von Axonen transportiert werden, wie Weizenkeimagglutin (WGA) oder Tetanustoxin-Fragment C (TTC). Eine alternative Strategie besteht darin, die Lichtquelle auf Axone statt auf Zellkörper zu fokussieren. Dies macht es möglich, die Aktivität von Neuronen basierend auf ihren Projektionen statt ihrem Muster der Genexpression zu modulieren, und kann bei Arten nützlich sein, die für genetische Manipulation weniger zugänglich sind, wie Ratten und Primaten.

Eine genaue Kontrolle der Zellaktivität kann nur erreicht werden, wenn das Licht, das das Opsin aktiviert, genau kontrolliert wird. Für In-vitro-Experimente könnte eine Konstantlichtquelle mit einem ultraschnellen Verschluss kombiniert werden oder ein Schalter zur Steuerung der Aktivität einer LED. Manchmal werden miniaturisierte LEDs verwendet in vivo, aber eine gängige Alternative ist eine Optrode (eine LED oder eine Laserlichtquelle, die an eine optische Faser gekoppelt ist). LEDs haben den Vorteil, dass sie billiger und einfacher zu steuern sind als Laser, aber sie emittieren Licht in alle Richtungen und dies kann die Lichtmenge, die in die Optrode eintritt, begrenzen.

Das einfache Baden großer Populationen von Neuronen in Licht wird nicht die präzisen Feuerungsmuster des Gehirns nachahmen, in denen die neuronale Aktivierung unter feiner zeitlicher Kontrolle steht. Darüber hinaus ist das Gehirn ein 3D-Objekt. Die Gruppe von Ed Boyden hat daher ein Gerät entwickelt, das aus mikrofabrizierten Wellenleitern besteht, mit dem mehrere einzelne Lichtquellen in einem 3D-Muster in das Gehirn geleitet werden können [32]. Anthanid-dotierte Upconversion-Nanopartikel können auch verwendet werden, um gewebedurchdringendes Nahinfrarotlicht in die aktivierende blaue Emission umzuwandeln [33].

Optogenetik wurde traditionell mit elektrophysiologischen Standardauslesungen (Feld- und Ganzzellaufzeichnungen) oder mit indirekten Messungen der neuronalen Aktivität wie der Calcium-Bildgebung kombiniert [34].Im Jahr 2010 integrierten Lee und Mitarbeiter jedoch die Optogenetik in die funktionelle Magnetresonanztomographie, um „ofMRT“ zu ermöglichen [35]. Sie verwendeten die Technik, um zu zeigen, dass eine erhöhte Aktivität in lokalen exzitatorischen Neuronen eine Zunahme des BOLD-Signals verursacht (im Gegensatz zu einer einfachen Korrelation damit) und zeigten, dass die MRT verwendet werden kann, um die Auswirkungen präziser optogenetischer Manipulationen auf die globale Gehirnaktivität zu visualisieren. Yang W et al. verwendeten volumetrische Zwei-Photonen-Calcium-Bildgebung, um die neuronale Aktivität im Neokortex der Maus zu messen in vivo mit zellulärer Auflösung zusammen mit neuraler Stimulation mit Zwei-Photonen-Optogenetik [36].

Eine der Hauptstärken der Optogenetik besteht darin, dass mit ihr die Auswirkungen einer vorübergehenden und reversibel veränderten neuronalen Aktivität auf das Verhalten eines Tieres untersucht werden können (z. B. [37]. Dies steht im krassen Gegensatz zu irreversiblen Läsionen und pharmakologischen Manipulationen, in denen es Stunden oder Tage dauern kann, bis Medikamente aus dem Gehirn ausgewaschen werden.

Zwei Schlüsselfaktoren, die kontrolliert werden müssen, sind die Expression des Opsins und die Aktivierung der Lichtquelle. Zellen/Tiere, die das Opsin exprimieren, sollten mit solchen verglichen werden, die dies nicht tun, um die Möglichkeit zu kontrollieren, dass die Insertion des Opsin-Gens andere Gene im Wirtsgenom zerstört haben könnte. Es ist auch wichtig, Zellen/Tiere in An- und Abwesenheit von Licht zu vergleichen. Dies liegt daran, dass die Beleuchtung zu einer Erwärmung führen kann, die Gewebeschäden verursachen kann. Owen SF et al. berichteten über einen Temperaturanstieg von 0,2 bis 2 °C durch häufig verwendete Beleuchtungsprotokolle [38]. Es wurde festgestellt, dass blaues Licht eine deutliche Erwärmung sowie Veränderungen des fMRT-Signals induziert [39] und die Genexpression in kortikalen Kulturen von Mäusen verändert [40], wahrscheinlich aufgrund von phototoxischen Wechselwirkungen mit den Kulturmedien [41].

Der Fadenwurm, Caenorhabditis elegans (Abbildung 4) war das erste mehrzellige Tier, dessen Genom vollständig sequenziert wurde und ist eine beliebte Wahl in optogenetischen Experimenten. Obwohl C. elegans kein all-trans-Retinal produziert, kann dieses dem Bakterienrasen hinzugefügt werden, von dem sich die Würmer ernähren. Würmer, die auf Bakterienrasen ohne Zugabe von all-trans-Retinal gezüchtet werden, können dann als wertvolle experimentelle Kontrollen dienen.

Ansonsten ist der Wurm aufgrund seines einfachen Nervensystems (bestehend aus nur 320 Zellen) und der transparenten Körperwand, die diese Zellen dem Licht gut zugänglich macht, für die Optogenetik gut geeignet. Im Jahr 2005 produzierten Nagel et al. genetisch veränderte Würmer, die ChR2 in mechanosensorischen Neuronen oder in Motoneuronen innerhalb ihrer Körperwand exprimierten. Das Bestrahlen der Würmer mit blauem Licht aktivierte diese Neuronen und veranlasste die Würmer, ihre Muskeln umzukehren bzw. zu kontrahieren [42]. Zwei Jahre später wurden ChR2 und Halorhodopsin (NpHR) verwendet, um eine bidirektionale Kontrolle der Muskelkontraktion der Körperwand von C. elegans zu erzeugen [43].

Spätere Fortschritte machten es möglich, einzelne Zellen gezielt anzugreifen. Dies wurde durch die Verwendung kombinatorischer Genetik erreicht, um die Opsin-Expression auf Zellen zu beschränken, die überlappende Promotoren exprimieren [1], und durch präzises Targeting der Lichtquelle. Letzteres gelang in zwei Studien aus dem Jahr 2011 in frei beweglichen Würmern, eine mit Hilfe eines LCD-Projektors [44] und die andere mit einem digitalen Mikrospiegelgerät (DMD), das aus Hunderttausenden von mikroskopisch unabhängig voneinander verstellbaren Spiegeln besteht [45]. Beide Systeme verwendeten speziell entwickelte Algorithmen, um die Position einer Zielzelle im Körper eines sich bewegenden Wurms zu verfolgen und vorherzusagen, sodass die Lichtquelle entsprechend ausgerichtet werden konnte. Die Auswirkungen der Manipulation der Aktivität einzelner Neuronen auf das Verhalten könnten dann untersucht werden.

C. elegans wurde häufig in der Erforschung synaptischer Proteine ​​und Mechanismen der synaptischen Übertragung verwendet, und die Optogenetik hat diese Tradition fortgeführt. Die ChR2-vermittelte Stimulation wurde verwendet, um die synaptische Übertragung an der neuromuskulären Verbindung zu untersuchen [46], während die lichtaktivierte Adenylylcyclase PACα verwendet wurde, um die cAMP-Produktion an derselben Synapse zu manipulieren [47].

Einige der ersten Experimente zur Steuerung der elektrischen Aktivität genetisch veränderter Neuronen mit Licht wurden in der Fruchtfliege durchgeführt (Drosophila melanogaster) von Gero Miesenböck und Mitarbeitern (siehe „Eine kurze Geschichte der Optogenetik“). Diese Gruppe gehörte auch zu den ersten, die die Fernsteuerung von Verhalten mittels Optogenetik demonstrierten. Im Jahr 2005 verwendeten Lima und Miesenböck Licht, um Fluchtverhalten – wie Springen, Flügelschlagen und Flucht – bei transgenen Fliegen hervorzurufen, die eine Untergruppe von Neuronen besaßen, die genetisch modifiziert worden waren, um sie lichtempfindlich zu machen [48].

Bis 2007 wurde ChR2 in Drosophila verwendet (obwohl, wie C. elegans, Drosophila produzieren kein eigenes Retinal und müssen mit der Nahrung zugeführt werden). Hwang et al. verwendeten die Optogenetik, um die neuronalen Grundlagen der Schmerzreaktion bei Fliegen zu identifizieren [49]. Sie erzeugten Fliegen, die ChR2 in einzelnen neuronalen Klassen exprimierten, und zeigten, dass die Beleuchtung der Klassen I, II oder III eine weit verbreitete Muskelkontraktion auslöste. Im Gegensatz dazu induzierte das Aufleuchten von Neuronen der Klasse IV ein schmerzbezogenes Abwehrverhalten, was darauf hindeutet, dass diese Neuronen Drosophila-Nozizeptoren (Schmerzrezeptoren) sind.

Optogenetik wurde verwendet, um appetitliche und aversive Reaktionen auf Gerüche bei Drosophila zu konditionieren. Fruchtfliegen werden von zuckerhaltigen Substanzen wie Marzipan und Bananen angezogen, und die Aktivierung von Riechneuronen, die für diese speziellen Gerüche empfindlich sind, löst eine Annäherungsreaktion aus. Im Gegensatz dazu finden Fliegen andere Gerüche abstoßend, und die Aktivierung von Riechneuronen, die für diese Gerüche empfindlich sind, löst eine Fluchtreaktion aus [50].

Bellman und Mitarbeiter platzierten einzelne Fruchtfliegen in einer Petrischale, in der zwei Quadranten mit blauem Licht beleuchtet wurden und zwei nicht (Abb. 5a). Fruchtfliegen empfinden blaues Licht normalerweise als aversiv (Abb. 5b). Als die Forscher jedoch das blaue Licht nutzten, um ChR2-exprimierende Neuronen zu aktivieren, die für erwünschte Gerüche empfindlich waren, empfanden die Fliegen das blaue Licht plötzlich als weit weniger aversiv als zuvor (obwohl kein Geruch vorhanden war) (Abb. 5c). Wenn die Forscher dagegen Neuronen beleuchteten, die für aversive Gerüche empfindlich waren, verhielten sich die Fliegen so, als hätten sie einen unangenehmen Geruch wahrgenommen und sich von ihrer scheinbaren Quelle (dem Licht) entfernt [3, 51].

Nach einem ähnlichen Prinzip setzten Miesenböck und Mitarbeiter die Optogenetik ein, um Fruchtfliegen dazu zu bringen, aus einem „Fehler“ zu lernen, von dem sie nur dachten, sie gemacht zu haben. Miesenböck schlug vor, dass der Entscheidungskreis der Fliege aus einem „Akteur“ besteht, der Handlungen anleitet, und einem „Kritiker“, der die Konsequenzen dieser Handlungen überwacht und dem Schauspieler Feedback gibt. Die Manipulation der Aktivität des Kritikers sollte es daher ermöglichen, das Verhalten der Fliege zu kontrollieren. Um diese Idee zu testen, platzierten Miesenböck und Mitarbeiter einzelne Fliegen in einem horizontalen Röhrchen mit einem anderen konzentrierten Geruch an jedem Ende. Die Fliegen gingen in der Röhre hin und her und probierten die beiden Gerüche aus. Immer wenn sie die Mitte erreichten, mussten sie eine Entscheidung treffen: umkehren und im vertrauten Geruch bleiben oder weitergehen und einen neuen ausprobieren.

Die Fliegen waren genetisch manipuliert worden, um ein Opsin in einer zufälligen Untergruppe von dopaminergen Neuronen im ganzen Gehirn zu exprimieren. Immer wenn die Fliegen einen der Gerüche wählten, aktivierten die Forscher die dopaminergen Neuronen. Wenn diese Neuronen den „Kritiker“ umfassten (oder enthielten), sollte dies die Fliege dazu bringen, den Geruch zu vermeiden, den sie während der Beleuchtung fand. Wenn diese Neuronen den Kritiker nicht enthalten, sollte das Verhalten der Fliege unverändert bleiben.

Die Forscher testeten eine große Anzahl von Fliegen, von denen jede lichtempfindliche Proteine ​​in einer anderen Kombination dopaminerger Zellen exprimierte. In den meisten Fällen hatte das Licht keinen Einfluss auf das Verhalten der Insekten. In einer Minderheit der Fälle begannen die Fliegen jedoch, den Geruch zu vermeiden, in dem sie die Beleuchtung erfahren hatten. Durch viele solcher Experimente konnten die Forscher die Identität des „Kritikers“ auf eine Gruppe von 12 dopaminergen Zellen eingrenzen, die ihre Ausgabe an eine Struktur namens Pilzkörper senden. Sie schlagen vor, dass diese Struktur der „Kriter“ (oder Verstärkungssignalgenerator) im Entscheidungsfindungssystem von Drosophila sein könnte [52, 53] ).

Der halbtransparente und genetisch gut charakterisierte Zebrafisch ist ein weiterer beliebter Modellorganismus in der Optogenetik. Im Jahr 2008 verwendeten die Forscher Licht, um zwei Populationen von ChR2-exprimierenden somatosensorischen Neuronen zu aktivieren, und fanden heraus, dass die Aktivierung einer der beiden Populationen eine Fluchtreaktion auslöste, die der durch taktile Stimulation ausgelösten ähnelt [54]. Bei einem Drittel der Neuronen reichte die Lichtaktivierung einer einzelnen Zelle aus, um die Fluchtreaktion auszulösen, während bei Trigeminusneuronen ein einzelnes Aktionspotential ausreichte.

Der am häufigsten in optogenetischen Experimenten verwendete Organismus ist jedoch wahrscheinlich die Maus. Tatsächlich verdankt die Optogenetik ihre Popularität zumindest teilweise der Art und Weise, wie sie Fortschritte auf dem Gebiet der Mausgenetik ergänzt und nutzt. Ein ständig wachsendes Sortiment an transgenen Mäusen, die eine stabile Opsin-Expression in bestimmten Zelltypen aufweisen, ist käuflich zu erwerben, während das relativ umfangreiche Verhaltensrepertoire dieser Spezies – kombiniert mit der einfachen Haltung im Labor – Mäuse zu den ersten gemacht hat Wahl bei der Modellierung vieler menschlicher Krankheiten. Während es wahrscheinlich ist, dass die Anwendungen der Optogenetik über das Gehirn hinausgehen, konzentrieren sich Studien an Nagetieren eher auf neurologische und psychiatrische Erkrankungen des Menschen [55]. Abdo H et al. erzeugten Plp-ChR2- und Sox10-ChR2-Mäuse, um die Rolle nozizeptiver Schwann-Zellen bei der Schmerzwahrnehmung zu untersuchen [56]. CckCRE_ChR2-tdTomato- und CckCRE_Halorhodopsin-YFP-Mäuse aus LSL_ChR2-tdTomato Jackson Lab Stock 012567 bzw. LSL_Halo-YFP Jackson Lab Stock 014539 wurden verwendet, um die synaptische Bildung zwischen Neuropodenzellen und Vagusneuronen zu untersuchen [57]. Adam Y et al. konstruieren transgene OptoPatch3-Mäuse, um die gleichzeitige optische Störung und Messung des Membranaktionspotentials zu ermöglichen [58]. Carta I injizierte AAV1-SynChR2-YFP direkt aus Penn Vector Core in tiefe Kleinhirnkerne, um die Projektionen vom Kleinhirn in den ventralen Tegmentalbereich und die Modulation der Belohnungsschaltung durch diese Projektionen zu untersuchen [59].

Angst ist durch einen anhaltenden Zustand der Wachsamkeit gekennzeichnet, auch wenn keine unmittelbare oder drohende Bedrohung vorliegt. Die Rolle der basolateralen Amygdala (BLA) bei Angst ist gut bekannt, jedoch projiziert diese Struktur auf viele andere Hirnregionen und die relative Bedeutung jedes dieser Wege ist unklar. Um diese Frage zu beantworten, verwendeten Tye et al. Channelrhodopsin zur Aktivierung von BLA-Neuronen und zeigten, dass dies bei Mäusen Angstzustände auslöste. Im Gegensatz dazu hatte die selektive Aktivierung nur solcher BLA-Neuronen mit Axonen, die zum zentralen Kern der Amygdala (CeA) projizieren, den gegenteiligen Effekt [37]. Diese Daten zeigen somit eine auffallende Dissoziation zwischen den Konsequenzen der Aktivierung von Neuronen, die dieselbe Hirnregion besetzen, aber unterschiedliche Projektionsziele haben. In einer neueren Studie wurde ebenfalls gezeigt, dass efferente Projektionen vom Bettkern der Stria terminalis in verschiedene Hirnregionen unterschiedliche Rollen bei Angst haben [60].

Optogenetik kann auch verwendet werden, um selektiv auf bestimmte Zelltypen innerhalb einer einzelnen Struktur abzuzielen. Zum Beispiel vermittelte die Aktivierung von Körnerzellen im dorsalen Teil des Hippocampus dentatus die Kodierung von kontextuellen Angsterinnerungen, während die Aktivierung von Körnerzellen im ventralen Gyrus dentatus keinen Einfluss auf das kontextuelle Angstlernen hatte, aber die angeborene Angst unterdrückte [61].

Die Ursachen und die zugrunde liegende Biologie der Depression sind komplex, wobei mehrere neuronale Schaltkreise und Neurotransmittersysteme an der Störung beteiligt sind. Es wurden eine Reihe von Mausmodellen der Depression entwickelt, die meist auf dem Prinzip der erlernten Hilflosigkeit basieren. Dies ist die Vorstellung, dass ein depressiver Mensch weniger motiviert ist, einer unangenehmen Situation zu entkommen als ein gesunder Mensch und sich schneller mit seinem Schicksal abfinden wird. Beim „Schwanzaufhängungstest“ werden gesunde Mäuse, die an ihren Schwänzen festgehalten werden, kämpfen und versuchen, „depressive“ Mäuse weitestgehend still zu halten. Gesunde Mäuse, die in einen Eimer mit Wasser gelegt werden, schwimmen ständig auf der Suche nach einem Fluchtweg „depressive“ Mäuse schwimmen regungslos an der Oberfläche.

Mit Hilfe pharmakologischer oder genetischer Ansätze zur Induktion eines depressionsähnlichen Phänotyps bei Mäusen und Tests wie dem Schwanzsuspensionstest als Ausgangsmaß für das Verhalten kann die Optogenetik dann verwendet werden, um die zugrunde liegende Krankheitspathologie zu untersuchen. Es kann auch verwendet werden, um ein besseres Verständnis der Mechanismen zu erlangen, nach denen antidepressive Behandlungen wirken. So erzeugte die Beleuchtung lokaler ChR2-exprimierender Neuronen im medialen präfrontalen Kortex bei Mäusen eine antidepressive Wirkung [62], während die bidirektionale Kontrolle spezifischer Dopamin-Neuronen des Mittelhirns die Symptome einer Depression als Reaktion auf chronischen Stress bidirektional modulierte [63]. Die optogenetische Stimulation von phasischem, aber nicht tonischem Feuern von dopaminergen Neuronen im ventralen Tegmentalbereich (VTA) induzierte Anfälligkeit für Depressionen bei Mäusen, die unter sozialem Niederlagestress litten [64]. Diese Effekte waren pfadspezifisch: Die phasische Aktivierung von VTA-Neuronen, die zum Nucleus accumbens, aber nicht zum medialen PFC, projizierten, induzierte Stressanfälligkeit. Die Hemmung von VTA-accumbens-Projektionen hingegen induzierte Resilienz.

Drogensucht ist eine chronisch rezidivierende Erkrankung, die durch zwanghaftes Suchen nach Drogen gekennzeichnet ist und trotz schädlicher Folgen andauert. Es wird angenommen, dass Suchtmittel das natürliche Belohnungssystem des Gehirns „übernehmen“ – dieses konzentriert sich auf das mesolimbische Dopaminsystem, das sich vom ventralen Tegmentalbereich (VTA) über das mediale Vorderhirnbündel bis zum Nucleus accumbens erstreckt. Die genauen Details, wie diese Schaltung Belohnung und Sucht vermittelt, sind jedoch unklar.

Cre-vermittelte Rekombination wurde verwendet, um die Opsin-Expression auf spezifische Populationen dopaminerger Zellen zu richten. Verhaltenstests wie die konditionierte Ortspräferenz (CPP) – bei der ein Nagetier schnell eine Präferenz für eine Umgebung entwickelt, die mit einem lohnenden Ereignis verbunden ist, gegenüber einer, die dies nicht tut – können dann verwendet werden, um die Auswirkungen der optogenetischen Manipulation dopaminerger Schaltkreise zu untersuchen .

Mit dieser Technik wurde gezeigt, dass eine phasische, aber nicht tonische Stimulation von ChR2-exprimierenden dopaminergen Zellen innerhalb des VTA ausreicht, um CPP zu induzieren [65]. Innerhalb des Nucleus accumbens erhöhte die Aktivierung von Neuronen, die den D1-Subtyp von Dopaminrezeptoren exprimieren, den Kokain-CPP, während die Aktivierung von D2-exprimierenden Neuronen den gegenteiligen Effekt hatte [66]. Eine zeitgenaue Hochregulation der G-Protein-Signalgebung innerhalb des Accumbens mit einem OptoXR war ebenfalls ausreichend, um CPP anzutreiben [67], während die Ausschaltung der kokaininduzierten Aktivierung cholinerger Interneurone innerhalb des Accumbens ausreichte, um CPP zu blockieren [68].

Es ist seit fast 60 Jahren bekannt, dass Tiere wiederholt einen Hebel betätigen, um einen elektrischen Strom in die Belohnungszentren des Gehirns zu liefern (intrakranielle Selbststimulation) [69], aber es ist nicht klar, welche Zelltypen diesen Effekt vermitteln. Optogenetische Experimente zeigten, dass erregende Projektionen von der basolateralen Amygdala zum Nucleus accumbens die Selbststimulation über einen Mechanismus unterstützen, der vom Dopamin-D1-Signalweg abhängt. Darüber hinaus kann die optogenetische Hemmung dieser Fasern den Saccharoseverbrauch reduzieren, was diesen Weg auch als Reaktion auf natürliche Verstärker impliziert [70]. Es wurde auch gezeigt, dass Tiere eine optogenetische Stimulation von Dopamin-Neuronen in der VTA selbst verabreichen [71]. Wenn die optogenetische Selbststimulation als robuster und zuverlässiger Verstärker eingesetzt werden könnte, würde dies Verhaltenstests an Nagetieren erleichtern, indem Tiere in vielen Versuchen getestet werden können, ohne dass zuvor Nahrung entzogen werden muss.

Tatsächlich wurde die Optogenetik bereits verwendet, um den Belohnungswert verschiedener Verstärker zu vergleichen. Mäusen wurde die Wahl zwischen einem Schluck aus einer Trinkflasche mit Wasser – die mit einer optogenetischen Aktivierung dopaminerger Neuronen gepaart wurde – und natürlichen oder künstlichen Süßstoffen angeboten. Die Mäuse bevorzugten die optogenetische Aktivierung von Dopamin-Neuronen gegenüber Sucralose, jedoch nicht gegenüber Saccharose [72].

Die Parkinson-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch Steifigkeit, Zittern und langsame Bewegung gekennzeichnet ist. Die Optogenetik hat mehrere wertvolle Beiträge zu unserem Verständnis der Gehirnschaltungen geleistet, die der Bewegung zugrunde liegen, sowohl im gesunden als auch im kranken Gehirn. Somit lieferte die Optogenetik den ersten klaren empirischen Beweis für die lange angenommene Rolle der direkten und indirekten Bahnen im Striatum für die Bewegungssteuerung. Durch die Expression von ChR2 in mittelgroßen stacheligen Neuronen des Striatums in einem Mausmodell der Parkinson-Krankheit wurde gezeigt, dass die Aktivierung des indirekten Signalwegs zu einem Parkinson-ähnlichen Zustand führt, während die Aktivierung des direkten Signalwegs Parkinson-Symptome umkehrt [73].

Es hat sich gezeigt, dass die tiefe Hirnstimulation von Komponenten des Basalganglienkreislaufs – insbesondere des Nucleus subthalamicus – dazu beiträgt, die Symptome der Parkinson-Krankheit zu lindern. Die zelluläre Grundlage dieses Effekts ist weitgehend unklar, aber die optogenetische Aktivierung afferenter Fasern im Nucleus subthalamicus verbesserte auch die motorischen Funktionen in einem Hemi-Parkinson-Rattenmodell [74]. Bemerkenswerterweise hatte die Stimulation lokaler Zellkörper nicht die gleiche Wirkung, was darauf hindeutet, dass die tiefe Hirnstimulation bei menschlichen Patienten hauptsächlich auf Axone und weiße Substanzbahnen abzielen sollte. Tatsächlich kann es durchaus sein, dass der Informationsfluss zwischen Hirnregionen für psychiatrische und neurologische Erkrankungen relevanter ist als die Aktivität einzelner Hirnregionen an sich.

Ein weiterer vielversprechender therapeutischer Weg bei der Parkinson-Krankheit ist die Verwendung von dopaminergen Neuronen, die aus Stammzellen gewonnen werden, als Ersatz für dysfunktionales Gewebe im Gehirn von Patienten. Um zu untersuchen, wie effektiv solche Transplantate in bestehende Schaltkreise integriert werden könnten, transplantierten Tønnesen und Mitarbeiter aus Stammzellen gewonnene dopaminerge Neuronen in organotypische Kulturen von Wildtyp-Maus-Striatum [75].

Nach der Herstellung der Kulturen verwendeten sie virale Transduktion, um Channelrhodopsin und Halorhodopsin in dopaminerge Neuronen einzuführen, die entweder zum Wirt oder zum Transplantat gehören. Die Aktivierung und Hemmung der Zellen zeigte eine ausgedehnte synaptische Konnektivität innerhalb des Transplantats sowie komplexe bidirektionale synaptische Interaktionen zwischen Wirts- und Transplantatzellen.

Epilepsie, bei der eine übermäßige synchrone Aktivität in einer oder mehreren Hirnregionen auftritt, die zu einem Anfall (oder „Fit“) führt, ist ein weiteres wichtiges Ziel der optogenetischen Forschung. Epileptische Anfälle können durch einen Verlust von inhibitorischen Interneuronen oder durch eine Reorganisation oder eine unangemessene Verstärkung der Exzitationswege entstehen. In beiden Fällen kann die Verwendung von Halorhodopsinen oder Protonenpumpen zur Abschwächung der anormalen rhythmischen neuronalen Aktivität, die während Anfällen auftritt, therapeutische Vorteile bieten.In Übereinstimmung damit reduzierte die Aktivierung von NpHR in organotypischen Hippocampuskulturen, in denen die Anfallsaktivität durch elektrische Stimulation induziert worden war, signifikant das epileptiforme Bersten [76]. Darüber hinaus wurde in einem Mausmodell der Temporallappenepilepsie in vivo die Aktivierung einer Subpopulation von GABAergen Interneuronen oder die Hemmung erregender Pyramidenzellen stoppten die Anfälle schnell [77]. Epilepsie kann manchmal als Folge der Neuorganisation von Fernverbindungen im Gehirn nach einem Schlaganfall entstehen. Bei Ratten reduzierte das optogenetische Targeting von thalamischen Neuronen, die mit Bereichen des verletzten epileptiformen Kortex verbunden waren, ebenfalls Anfälle [78].

Optogenetik wurde verwendet, um die neuronalen Grundlagen von Schlaf und Schlafstörungen zu untersuchen. Die ChR2-vermittelte Aktivierung von Orexin/Hypocretin-exprimierenden Neuronen im lateralen Hypothalamus von Mäusen erhöhte die Übergänge vom Schlaf ins Wachzustand [79], was mit Berichten übereinstimmt, dass eine Dysfunktion dieser Neuronen mit der Schlafstörung Narkolepsie assoziiert ist. In einer anderen Studie nutzten die Forscher die lichtinduzierte Aktivierung von Orexin/Hypocretin-Neuronen im lateralen Hypothalamus, um den Schlaf zu fragmentieren, und fanden heraus, dass dies die Gedächtnisleistung bei einer neuartigen Objekterkennungsaufgabe beeinträchtigte, selbst wenn die Gesamtschlafdauer erhalten blieb [80].

Es werden Anstrengungen unternommen, die Optogenetik zu verwenden, um die Mechanismen zu untersuchen, die dem Lernen und dem Gedächtnis zugrunde liegen. Es gibt zum Beispiel einige Hinweise darauf, dass die Bahnen, die die Gedächtnisbildung vermitteln, eine Asymmetrie im Gehirn aufweisen können. Kohl et al. (2011) verwendeten ChR2, um Axone von CA3-Zellen zu aktivieren, die entweder aus dem linken oder rechten Hippocampus der Maus stammen. Die Aktivierung von CA3-Inputs aus der linken Hemisphäre induzierte eine stärkere Stärkung der CA3-CA1-Synapsen (Langzeitpotenzierung) als die Aktivierung äquivalenter Inputs aus der rechten Hemisphäre. Dies könnte Unterschiede in der Verteilung der glutamatergen NR2B-Rezeptoren zwischen den beiden Hemisphären widerspiegeln [81].

Optogenetik wurde verwendet, um die Funktion des Hirnstamms und des Rückenmarks zu manipulieren. So induzierte die Aktivierung einer Gruppe von Neuronen innerhalb der ventralen Medulla-Region des Hirnstamms bei anästhesierten Ratten (der retrotrapezoiden Nucleus-parafacial-respiratorischen-Gruppe) eine aktive Exspiration [82]. Eine Rückenmarksverletzung kann aufgrund einer Unterbrechung des absteigenden Inputs zu respiratorischen Motoneuronen im Rückenmark oft zu Atemausfällen führen. In einem Nagetiermodell mit Rückenmarksverletzung jedoch stellte die Transduktion von Neuronen im Rückenmark mit ChR2 und die anschließende Aktivierung dieser Neuronen mit Licht rhythmische Bewegungen des Zwerchfells wieder her. Darüber hinaus blieb die rhythmische Aktivität nach dem Ausschalten des Lichts erhalten, was eine neue Therapiestrategie zur Bekämpfung von Atemwegserkrankungen bei Rückenmarksverletzungen nahelegt [83].

Zu möglichen therapeutischen Anwendungen der Optogenetik bei Retinitis pigmentosa liegen ermutigende Daten vor: eine heterologe Gruppe von fortschreitenden degenerativen Erkrankungen, bei denen der Verlust von Photorezeptoren (zuerst Stäbchen und dann Zapfen) zu unheilbarer Erblindung führt. Schätzungen zufolge sind weltweit etwa 2 Millionen Menschen von Retinitis pigmentosa betroffen. In einem Mausmodell der Erkrankung stellte die Transduktion überlebender Netzhautzellen mit ChR2 und die anschließende Aktivierung dieser Zellen mit Licht die Fähigkeit der Netzhaut wieder her, Licht in elektrische Signale umzuwandeln, die an den visuellen Kortex weitergeleitet wurden [84]. Ähnliche Manipulationen verbesserten das visuell geführte Verhalten in einem Rattenmodell [85]. Die Aktivierung von ChR2 in blinden transgenen Mäusen und Ratten, die das Opsin nur in einer Untergruppe von retinalen Ganglienzellen exprimierten, stellte auch die Lichtempfindlichkeit der Netzhaut wieder her und ermöglichte visuell geführtes Verhalten [5, 86].

Anstatt Channelrhodopsin zu verwenden, um sogenannte ON-Bipolarzellen oder retinale Ganglienzellen anzuschalten, besteht eine alternative Taktik darin, Halorhodopsin zu verwenden, um die dysfunktionalen lichtunempfindlichen Zapfen zu bekämpfen, die oft nach dem Absterben der Stäbchen in der Netzhaut zurückbleiben. Das Ausschalten der Zapfen mit Halorhodopsin ermöglichte eine erneute Lichtsensibilisierung und stellte das visuell gesteuerte Verhalten in zwei Mausmodellen von Retinitis pigmentosa wieder her. Es reaktivierte auch lichtunempfindliche Photorezeptoren beim Menschen Ex-vivo Netzhaut [87].

Ergebnisse wie diese eröffnen die Möglichkeit, dass die Optogenetik letztendlich als therapeutisches Werkzeug beim Menschen eingesetzt werden könnte. Aber wie plausibel ist das?

Chow und Boyden [88] schlagen vor, dass Optogenetik als therapeutische Intervention bei Zuständen eingesetzt werden könnte, bei denen ein eindeutiger Nutzen durch das Ein- oder Ausschalten bestimmter Zelltypen erzielt werden kann und für die keine bessere Alternative verfügbar ist. Neben der Retinitis pigmentosa deutet eine zunehmende Zahl von In-vitro-Arbeiten darauf hin, dass dies auch die Parkinson-Krankheit und Epilepsie und vielleicht sogar Rückenmarksverletzungen umfassen könnte.

Damit dies Wirklichkeit werden kann, müssen jedoch eine Reihe von Problemen überwunden werden, wie Chow und Boyden diskutieren. Optogenetische Therapeutika werden die Einbringung genetischer Konstrukte in den Körper mittels eines viralen Vektors erfordern, aber diese Technologie ist beim Menschen noch lange nicht vollständig etabliert. Einmal im Körper angekommen, müssten Bakterien- oder Algenopsine über Wochen, Monate oder sogar Jahre stabil exprimiert werden, was eine Immunantwort auslösen könnte. Stattdessen könnten möglicherweise menschliche Opsine (z. B. Melanopsin oder Rhodopsin) verwendet werden, die jedoch langsamer auf Licht reagieren als ihre mikrobiellen Gegenstücke. Darüber hinaus würde die Verwendung von menschlichen Opsinen zwar die Notwendigkeit eines Gentransfers zwischen den Spezies vermeiden, aber die potentiellen Gefahren, die mit der Insertionsmutagenese verbunden sind, wenn sich die konstruierten Konstrukte in das Genom integrieren, nicht überwinden.

Darüber hinaus ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass Zellen Bestandteile hochkomplexer Netzwerke sind. Die Veränderung der Funktion einer Zelle (oder einer Gruppe von Zellen) hat wahrscheinlich Folgewirkungen auf die Aktivität anderer. Dies könnte erklären, warum das Licht während der Aufzeichnungen aus dem frontalen Kortex eines wachen Rhesusaffens eine Population von ChR2-exprimierenden Pyramidenneuronen hemmt – anstatt sie zu aktivieren [89]. Therapeutische Anwendungen der Optogenetik beim Menschen müssen daher sicherstellen, dass die positiven Auswirkungen nicht durch schädliche Folgewirkungen an anderer Stelle aufgewogen werden.

Optogenetische Techniken wurden angewendet, um die Schrittmacheraktivität eines beschädigten Myokards zu reparieren. Insbesondere ChR2, das durch Licht aktiviert werden kann, wurde verwendet, um Kardiomyozyten in Kultur zu stimulieren und zu depolarisieren in vivo [90]. Eine andere Studie hat die Stimulation von Kardiomyozyten von Ratten durch die Einführung des ChR2-Gens, das in einen Adeno-assoziierten Virus-9-Vektor eingefügt wurde, gezeigt [91]. Eine monochromatische Leuchtdiode von 450 nm wurde verwendet, um Blitze auf das ChR2-Transgen zu erzeugen, die eine Stimulation der Ventrikel verursachten. Darüber hinaus können optogenetische Verfahren angewendet werden, um ventrikuläre Arrhythmien zu beenden. Effektive Beendigung experimentell induzierter Arrhythmien in Wistar-Ratten-Myokardiozyten, die rot-aktivierbares Channelrhodopsin (ReaChR) exprimierten. Ein kardiotroper viraler Vektor wurde verwendet, um ReaChR zu liefern [92]. In Übereinstimmung mit diesen Daten unterbrach Rotlicht effektiv ventrikuläre Arrhythmien bei ChR2-transgenen Mäusen [93]. Die virale Transduktion gilt als die effektivste Methode, um exogene Proteine ​​in Brustzellen zu exprimieren. Darüber hinaus wurde Melanopsin auch für Studien zur Pathogenese von Arrhythmien vorgeschlagen. Blaulicht-vermittelte Aktivierung von Melanopsin stimulierte Phospholipase C, Ca 2+ -Freisetzung und spontane Schrittmachereffekte [94].

Mithilfe der Optogenetik wurden mehrere neue therapeutische Strategien für Diabetes entwickelt. Ja überhaupt. haben eine blaulichtgesteuerte Methode zur Kontrolle des Blutzuckerspiegels beschrieben [95]. Melanopsin, das auf blaues Licht reagiert, wurde in HEK-293-Zellen exprimiert. Aktiviertes Melanopsin stimulierte die Stoffwechselwege, die die Glukosehomöostase regulieren. Als die Melanopsin-exprimierenden Zellen in ein Diabetes-Mausmodell eingepflanzt wurden, zeigten die Tiere einen ausgeglichenen Glukosespiegel. Darüber hinaus wurde von Wang et al. [96] ein optogenetisches Gerät LightOn beschrieben, das eine für blaues Licht empfindliche Domäne enthält. Das LightOn-Gerät wurde in diabetische Mäuse eingeführt, die eine Aktivierung der Insulinproduktion als Reaktion auf blaues Licht zeigten. Auch eine Kontrolle der Insulinproduktion mit Lichtbestrahlung ohne Beteiligung der Glykolyse wurde durch Induktion der ChR2-Expression in pankreatischen Betazellen erreicht [97].

Seit Channelrhodopsin im Jahr 2005 erstmals zur Steuerung der Aktivität von Säugetierneuronen eingesetzt wurde, wurden in kurzer Zeit große Fortschritte erzielt. Dank der Optogenetik ist es möglich, die Aktivität bestimmter neuronaler Populationen in mehreren Hirnregionen nach Bedarf entweder zu erhöhen oder zu verringern. Die Optogenetik hat mechanistische Einblicke in eine Reihe von psychiatrischen und neurologischen Erkrankungen des Menschen geliefert, und ihr Einfluss wird wahrscheinlich weiter zunehmen, da neue Werkzeuge die Anwendung der Technik auf eine breitere Palette von Zellen ermöglichen. Ermutigende Daten wurden über den Einsatz der Optogenetik als therapeutische Intervention in Tiermodellen menschlicher Krankheiten gewonnen, obwohl noch viel Arbeit bleibt, bevor ein solcher Ansatz bei menschlichen Patienten angewendet werden könnte.

Dr. Konstantin Yakimchuk hat im Oktober 2018 in der Sektion "Potenzielle therapeutische Anwendungen der Optogenetik in der Kardiologie und Endokrinologie" mitgewirkt.


Das Gehirn verdrahten

Ich habe mich selbst mit genau diesen Fragen beschäftigt.

Ich denke, dies ist ein großer Bedarf und eine Gelegenheit für eine Skizze des "großen Bildes", die auf einem wissenschaftlichen Verständnis der Realität basiert und für Wissenschaftler nützlich ist – etwas, das die Philosophie hätte tun können, aber derzeit nicht.

Wie Feynman in diesem Interview sagt, sind alles Atome, die nur "ihr Ding machen":

Aber was oft unerklärlicherweise vergessen wird, ist, dass mikroskopisches Atombild nicht "nur Physik" ist. Entscheidend ist, *die Anordnung* der Atome bestimmt, wie sich die elementaren, fundamentalen Wirkungen addieren oder sich gegenseitig aufheben.

Somit lautet die eigentliche mikroskopische Beschreibung:
(Vollständige Struktur/Zustand des Systems) x (Grundgesetze, die es zum Laufen bringen)

Dies bedeutet einfach, dass die Geschichte des Entstehens (Zustand/Struktur) nicht aus fundamentalen Gesetzen der Physik folgt – sie hängt ebenso sehr vom (Zustand/Struktur) selbst ab. (Was bestimmt, wie sich die elementaren, fundamentalen Aktionen addieren oder aufheben und dabei den Zustand/die Struktur verändern – die Dynamik des Systems erzeugen.)

Ohne den (Zustand/die Struktur) zu beschreiben, beschreibt die fundamentale Physik nicht *unsere* Welt, sondern lediglich alle möglichen Welten, die mit den Gesetzen der Physik übereinstimmen.

(Paradoxerweise ist die Menge von "allen, die sein können" viel weniger komplex als jedes ihrer Mitglieder: Denken Sie an die Bibliothek aller Strings -- sie kann trivial spezifiziert werden und enthält fast keine Informationen. Der Akt der Auswahl eines "book" ist es, was die darin enthaltenen Informationen erzeugt.)

Somit ist eine "Reduktion" auf die Gesetze der Physik nicht möglich. Wir müssen die Geschichte der Entwicklung (Struktur/Zustand) so einbeziehen, wie sie sich tatsächlich entfaltet. (Oder zumindest die wichtigsten Sprungbretter dieser Geschichte, die sie an einen bestimmten Entwicklungsgang binden.)

Natürlich existierte die Natur lange bevor das Leben und der Mensch entstanden sind.

Nicht immer, aber in vielen wichtigen Fällen erzeugt die Dynamik Strukturen, die "klumpig" sind und eine Aktion, die auf enge "Kanäle" beschränkt ist. Atome, Planeten, atmosphärische Zirkulation, Organismen liefern alle Beispiele für solche Klumpen und Kanäle. Die "Geometrie der Aktion" in der Natur sind die Netzwerke chemischer Reaktionen, die Flüsse auf dem Planeten usw. usw.:

Die Klumpigkeit und die Kanalisierung bedeuten, dass die Entwicklung von Zustand/Struktur auf eine winzige Mannigfaltigkeit innerhalb ihres gesamten mikroskopischen Zustandsraums beschränkt ist. Diese Mannigfaltigkeit stellt die makroskopische Struktur der Realität dar und kommt mit ihren eigenen Handlungsregeln.

Das Erkennen der Grundprinzipien der Struktur der Wirklichkeit ist meines Erachtens die notwendige Grundlage, um das große Bild von Leben, Evolution und Erkenntnis zu skizzieren.

Vielen Dank für Ihre Kommentare und Einblicke. Ich stimme vollkommen zu. Es geht darum, die Handlungsregeln oder zugrundeliegenden Organisationsprinzipien von Lebewesen zu definieren und zu verstehen - was macht sie so, wie sie sind und nicht anders? Was verleiht ihnen die entstehenden Eigenschaften des Lebens, einschließlich der Handlungsfähigkeit und letztendlich des Bewusstseins? Dies sind philosophische Fragen, aber sie haben klare praktische Implikationen in Bezug darauf, dass wir echte Fortschritte beim Verständnis von Lebewesen machen, die gut genug sind, um Dinge wie die Auswirkungen von Mutationen in einem bestimmten Gen, die Wirkung eines neuen Medikaments und wie das System darauf reagieren könnte, vorherzusagen , die aufkommende Pathologie bei neurologischen Entwicklungsstörungen und die letztendlichen Gründe für die beobachteten Muster der Psychopathologie usw. usw.

Ein weiterer schöner Schlag gegen die Komplexität – vielen Dank, Kevin, besonders für die Referenzen und die Grafik, die mich übermäßig von meinem normalen Leben abgelenkt hat. Manchmal ist es ein tolles Gefühl, sich zurückgelassen zu fühlen, zumindest wenn man Karten und Hypertexte in die Hand bekommt.

> die Handlungsregeln oder zugrundeliegenden Organisationsprinzipien von Lebewesen definieren und verstehen - was macht sie so, wie sie sind und nicht anders? Was verleiht ihnen die entstehenden Eigenschaften des Lebens, einschließlich der Handlungsfähigkeit und letztendlich des Bewusstseins? Das sind philosophische Fragen

Wenn wir das einen Moment auf den Kopf stellen dürfen, sollte man gelegentlich argumentieren, dass es sich überhaupt nicht um philosophische Fragen handelt, sondern um praktische, auf die Philosophen fruchtbar aufbauen könnten, wenn sie aufmerksam sind und sich benehmen. Was ich an der Bewertung biologischer Systeme spannend finde, ist die Fähigkeit, philosophische Untersuchungslinien, die mit Erkenntnissen (insbesondere Popphilosophie) in Konflikt stehen, praktisch zu verbieten und ungeahnte philosophische Dimensionalität ans Licht zu bringen, indem man die langen Äonen des Hit-and-Miss nutzt haben wir-the-living so unglaublich erfolgreich und komplex gemacht. Aufbauend auf dem, was tatsächlich in unseren lebenden Systemen passiert, werden nutzlose, weniger nützliche und nützlichere Annahmen freigelegt, die in den Schichten und Schichten der Abstraktionen und Analyseebenen gespeichert sind, die die Vorstellungen von Willen und Bewusstsein ausmachen.

Unterbewusst erschaudern wir alle bei der Vorstellung, weiche Maschinen zu sein, ich vermute, als Nebenprodukt sehr grundlegender Selektionsoptimierungen, die sowohl Religiosität als auch praktische Vielfalt innerhalb der Bevölkerung förderten. Diese Zurückhaltung, uns selbst als Maschinen zu "benennen" führt dazu, dass wir uns unangemessen zwischen nicht-menschlichen Aspekten des Verhaltens, des Willens und des Bewusstseins und unseren eigenen Versionen dichotomieren. Diese Dichotomisierung hat den Nebeneffekt, dass Wille und Bewusstsein fetischisiert werden, anstatt sie als komplexe/dynamische Erweiterungen der ersten Prinzipien zu sehen. Im Gegensatz dazu ermöglicht uns der Aufbau dieser Abstraktionen aus der Biologie, sie als natürliche Erweiterungen der Robustheit und grundlegender Schaltkreise zu sehen und zu lernen, wie die natürliche Welt ihre Arbeitsphilosophien diktiert. Das ist von "ist und soll" ist in der Biologie unglaublich erfolgreich gewesen, und dennoch schauen wir ständig über uns selbst hinaus, um Kohärenz und Bedeutung zu finden. Wenn wir uns selbst als erstaunlich erfolgreiche Maschinerie verleugnen, fühlen wir uns stattdessen durch Bindungen an die Gottheit instanziiert, oder schlimmer noch, es rechtfertigt tragische, eng begrenzte individuelle "Erfolge", um einen Sinn zu etablieren. Die Ergebnisse einer solch schlechten Modellierung in einer viel stärker voneinander abhängigen Welt werden zunehmend giftig und unbrauchbar.

Die Kraft und Freude, die der kybernetisch-sozialen Natur des Lebens innewohnt, wird eines der großen Werke der weichen und harten Wissenschaften sein, die sich in den kommenden Jahrzehnten vermischen. Es wird mitreden, wenn es unseren Bedürfnissen entspricht, so wie es die Pragmatiker seit dem Ende des 19.

Danke Scott - ich glaube, du hast genau recht. Wenn wir diese Fragen prinzipiell und wissenschaftlich angehen, können wir Dinge wie die Entstehung von Handlungsfähigkeit und schließlich von Bewusstsein und Willen so definieren, dass sie die ansonsten potenziell unbegrenzten und endlosen philosophischen Diskussionen dieser Themen scharf abgrenzen.

Es erstaunt mich, wie viel von der philosophischen Literatur über Dinge wie den freien Willen durch unser wachsendes Verständnis der tatsächlichen Mechanismen der Entscheidungsfindung nicht informiert ist - nicht nur auf der neuronalen Ebene, auf der wir echte Fortschritte machen, sondern in Bezug auf die Arten von Berechnungen und Operationen, die selbst bei niedrigen Konzentrationen wie bakterielle Chemotaxis oder das Einschalten des lac-Operons sichtbar sind. Es gibt gemeinsame Grundprinzipien der Exploration vs. Ausbeutung, der Integration und Akkumulation von Beweisen, der Schätzung des Vertrauens, der internen Nutzenmaße usw.

Und natürlich arbeiten viele Leute daran, diese Prinzipien herauszuarbeiten, aber irgendwie bleiben diese Bemühungen außerhalb des Mainstreams in der Biologie - sicherlich in der Art und Weise, wie wir Studenten unterrichten. Zeit zu versuchen und es besser zu machen!

> Jetzt ertrinken wir in Daten.

Das ist nicht gerade unfair zu sagen, aber es lässt die viel größere Herausforderung außer Acht, die Universalgelehrte heutzutage haben, da wir mehr wissen, Systemprinzipien zu etablieren. Es gibt eine natürliche Entwicklung in jedem Projekt in jeder Größenordnung, sehr wenig zu wissen, es eifrig zu systematisieren, dies zugunsten der Realität abzulehnen und dann auf raffiniertere und genauere Weise wieder zu vereinfachen. Sie bleiben bei diesem letzten Schritt hängen und kommen damit verdammt viel besser zurecht als die Physiker.

Und sehen Sie sich an, wie unglaublich schwierig und interdisziplinär die robuste Wissenschaft der Systematisierung ist, in einer Welt, die oft von nichtlinearer Dynamik verschiedener Art dominiert wird. Wählen Sie zwei beliebige Wissenschaftler auf der von Ihnen weitergeleiteten Grafik aus und bitten Sie einen Physiker oder Psychologen oder sogar einen Biologen/Statistiker, ihre Arbeit ohne außergewöhnlichen Aufwand zu verstehen, und sie werden scheitern. Wir bekämpfen nicht nur tiefe kognitive Blockaden im interdisziplinären Denken, sondern auch die schwierige Essenz der komplexen Natur der Realität, die uns zum ersten Mal in den Strudel blicken lässt, typischerweise ohne die Grundausbildung, um dies sinnvoll zu tun.

Unabhängig – der Begriff der Robustheit ist an den Begriff des Willens gebunden, im weitesten Sinne der Abschlankung der Möglichkeiten, um zu etwas zu gelangen, das funktioniert. Bei der Auswahl ist der Stellvertreter für den Willen die Ablehnung unbrauchbarer Systeme in Längsrichtung, so wie ein Jäger auf dem Weg zum Erfolg Berg und Tal ablehnt. Ich mag diese Verbindung sehr, sie macht den Willen zu einer natürlichen Erweiterung der Robustheit, was die Vorstellung für mich einfacher und mächtiger macht.

Danke Scott - dieses Problem der fächerübergreifenden Sichtbarkeit ist genau das, was wir meiner Meinung nach in der frühen Biologieausbildung grundsätzlich angehen müssen. Wie können wir jemals von den Studierenden erwarten, dass sie Perspektiven außerhalb der engen disziplinären Bereiche verstehen, in die sie unweigerlich geraten werden, wenn wir uns nicht einmal bemühen, ihnen die tiefen konzeptionellen Prinzipien bewusst zu machen, die in allen Bereichen spielen? Natürlich wurden die meisten Biologiedozenten selbst nicht so ausgebildet. Auch innerhalb der Disziplinen ist der Spezialisierungsgrad extrem hoch, um (zumindest scheinbare) Fortschritte in der Forschung zu erzielen.Da dies bei Förderanträgen, Beförderungen etc. geschätzt wird, sind Generalisten Mangelware. (Und wahre Universalgelehrte gehören der Vergangenheit an, denke ich – es gibt einfach zu viel zu wissen!)

Als Doktorand der Biologiepädagogik (Lehramtsausbildung) stimme ich Ihrer Aussage zu diesen Perspektiven im Biologieunterricht voll und ganz zu. D.h. Komplexitätswissenschaft ist weit entfernt von aktuellen Klassenzimmern und das müssen wir ändern. Unser aktuelles Poster, das bei der Cultural Evolution Society präsentiert wurde, hebt einen Design-Based Research-Ansatz hervor, um Lehrerausbildung und Unterrichtsaktivitäten genau in diese Richtung zu bewegen.
https://www.researchgate.net/publication/319644966_Cultural_Evolution_in_the_Biology_Classroom_A_Design-Based_Research_Model_in_Education_for_Sustainable_Development

Danke Dustin - sieht wirklich interessant aus.

„Die Kernerkenntnis der Systembiologie ist, dass nur eine sehr kleine Untermenge möglicher Netzwerkmotive tatsächlich verwendet wird und dass diese Motive in allen möglichen verschiedenen Systemen wiederkehren, von transkriptionellen über biochemische bis hin zu neuronalen Netzwerken. Dies liegt daran, dass nur diese Interaktionsanordnungen eine nützliche Operation effektiv ausführen, die einer notwendigen Funktion auf zellulärer oder organismischer Ebene zugrunde liegt.“

Nun, vielleicht, aber ich verstehe, dass wir für fast alle Systeme nicht genügend Informationen haben, um vollständig zu beschreiben, wie das System wirklich funktioniert. Die meisten wissenschaftlichen Studien scheinen einen ziemlich indirekten und ungefähren Blick auf einen Aspekt der Funktionsweise des Systems zu geben. (Und alles als System zu bezeichnen ist wahrscheinlich etwas großzügig, weil alle biologischen Prozesse so massiv interaktiv sind, dass das Isolieren eines Teils des Ganzen bereits eine Vereinfachung darstellt.) Mit diesen kleinen Fragmenten ungefähren Wissens ist es möglich, ein vereinfachtes, menschenfreundliches . aufzubauen Erzählung, die eine Gruppe organischer Verbindungen zusammensetzt, als ob sie wie eine Art biologischer gedruckter Schaltkreis funktionieren würden. Aber es ist nicht wirklich so, und wir wissen, dass es nicht so ist. Je mehr man sich auf Systemerklärungen zubewegt, desto weiter entfernt sich die Wissenschaft von der Chemie und näher an der Ökonomie. Es ist eine interessante Perspektive, aber ich bin nicht davon überzeugt, dass sie uns ein klareres Verständnis davon geben wird, was vor sich geht. Und ich denke, es besteht die Gefahr, dass man eher eine illusorische als eine echte Erkenntnis gewinnt.

„Dies bedeutet, dass Informationen im Kontext des Zustands der gesamten Zelle oder des gesamten Organismus interpretiert werden, was eine Aufzeichnung oder Erinnerung an vergangene Zustände sowie vergangene Entscheidungen und Ergebnisse umfasst. Es ist nicht nur eine Nachricht, die durch das System verbreitet wird – sie bedeutet dem Empfänger etwas und diese Bedeutung liegt nicht nur in der Nachricht selbst, sondern auch in der Geschichte und dem Zustand des Empfängers (ob es sich um ein Protein oder eine Zelle handelt). , ein Ensemble von Zellen oder der gesamte Organismus)."

Ich fürchte, ich kaufe das nicht wirklich. Ich bin mir nicht wirklich sicher, ob alle lebenden Organismen ein Modell von sich selbst und ihrer Umwelt haben. Ich schrecke sicherlich vor der Vorstellung zurück, dass die meisten Zellen ein Gedächtnis in einem sinnvollen Sinne haben, und schon gar nicht an ihre "vergangenen Entscheidungen und Ergebnisse". Ich muss auch ein wenig davon überzeugen, dass die Geschichte eines Proteins bedeutsam war und nicht sein Zustand.

Ich habe das Gefühl, dass dieser Artikel beschreibt, wie die Dinge sein könnten, aber tatsächlich sind wir weit davon entfernt, genügend Daten aus der realen Welt zu haben, um zu sagen, wie die Dinge tatsächlich sind. Es scheint, dass die Dinge komplizierter werden, je mehr Biologie wir entdecken. Ich gehe davon aus, dass wir in der Lage sein werden, Systeme zu beschreiben, die eine Zusammenfassung der empirischen Ereignisse bieten, die wir beobachten, wie etwa das Auslösen einer Immunantwort, und dass wir Einblicke in mikroskopische Aspekte dieser Systeme gewinnen werden. Aber ich bezweifle, dass wir an einem Punkt ankommen, an dem wir ein starkes theoretisches Verständnis der Hauptmerkmale haben, die die mikroskopischen und makroskopischen Phänomene verbinden. Wir werden immer eine Reihe von Theorien haben, die plausibel erscheinen, und wir wählen zwischen ihnen basierend darauf, welche am genauesten zu den beobachteten Daten passt. Ich verstehe, dass wir nicht einmal in der Lage sind, zu verstehen, wie ein trainiertes neuronales Netzwerk seine Funktion erfüllt, obwohl wir jeden Aspekt davon untersuchen können und obwohl es eine sehr einfache Architektur hat.

Ich glaube, dass die Aufgabe, biologische Prozesse richtig zu verstehen, aussichtslos ist. Um stattdessen pragmatisch zu arbeiten, versuchen wir, kleine Teile der wichtigen Teile zu verstehen, die einige nützliche Anwendungen haben könnten. Ich denke, wenn wir die Dinge hauptsächlich als Systeme betrachten, sind wir möglicherweise nicht sehr gut darin, zu verstehen oder vorherzusagen, wie und warum sie nicht mehr richtig funktionieren.

Danke Dave. Ich denke, Ihre Skepsis ist etwas berechtigt, aber ich bin optimistischer als Sie. Ich plädiere nicht dafür, das Experimentieren mit isolierten Komponenten aufzugeben - überhaupt nicht. Was ich vorschlage, ist, dass das Design und die Interpretation solcher Experimente stark vorangetrieben werden, indem die beteiligten abstrakteren Systemprinzipien berücksichtigt werden - indem versucht wird, herauszufinden, was das System * tut *, und nicht nur zu beschreiben, was passiert.

Wenn das Ziel darin besteht, eine gewisse Vorhersagekraft darüber zu erlangen, wie und warum Systeme versagen, würde ich sagen, dass der rein reduktionistische Ansatz selbst ein kläglicher Fehlschlag war. Wir haben beispielsweise jedes Jahr eine Handvoll neuer Medikamente, von denen einige sehr speziell entwickelt wurden, um auf bestimmte Moleküle abzuzielen. Aber für jeden Erfolg gibt es Hunderte, die in präklinischen oder klinischen Studien scheitern, oft aufgrund unerwarteter Auswirkungen auf Systemebene.

Für mich ist die Systemperspektive eine Ergänzung zum Studium experimentell isolierter Komponenten. Diese sind nicht wirklich isoliert, wie Sie betonen, aber es ist möglich, Module und Motive zu erkennen, die spezifische Aufgaben mit spezifischen Dynamiken und Input-Output-Beziehungen erfüllen, und dann größere Systeme aus diesen Komponenten aufzubauen (wobei übergeordnete Informationen "Chunk" niedrigere Ebenen, ohne sich um die Details zu kümmern).

Natürlich ist es möglich, nette mathematische Spielzeugmodelle komplexer Systeme zu erstellen und uns selbst vorzumachen, dass wir sie verstehen. Aber solche Modelle sollen überprüfbare Vorhersagen machen und können aufgrund neuer experimenteller Erkenntnisse verfeinert oder verworfen werden. Dieser Datenzyklus -> Theorie -> Vorhersage -> Daten -> neue Theorie ist sicherlich mächtiger als das Einbahnsystem, mit dem die meisten von uns derzeit beschäftigt sind: Daten -> mehr Daten -> mehr Daten -> umm. mehr Daten?



Bemerkungen:

  1. Merisar

    deine Denkweise ist hilfreich

  2. JoJogami

    Meiner Meinung nach wurden Sie irregeführt.

  3. Itotia

    Dass wir ohne Ihre großartige Idee tun würden

  4. Endymion

    die sehr wertvollen Informationen



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