OPTOGENETYKA: kontrola za pomocą światła

Wraz z uruchomieniem przez Biały Dom w 2013 roku inicjatywy BRAIN, zainteresowanie odkrywaniem tajemnic ludzkiego mózgu stanowczo przyspieszyło. Pochodzące z co najmniej 1971 roku badania optogenetyczne dojrzały na tyle, by przyciągnąć uwagę licznych organizacji takich jak NIH, DARPA i IARPA, które badają rolę, jaką komórki wrażliwe na światło mogą wkrótce odegrać w dziedzinach otaczających neurobiologię, interfejsach człowiek-maszyna i rozwijaniu sztucznej inteligencji poprzez odwrotną inżynierię mózgu.

Więcej na ten temat nanotechnologii przeczytasz w tym artykule: https://www.maloka.pl/post/transhumanizm-interfejs-czlowiek-mozg-chmura-oraz-projekt-sentient-world-reality

Ale od początku... Neurony są komórkami pobudliwymi elektrycznie. Zawierają kanały, które umożliwiają przepływ naładowanych elektrycznie cząstek przez nie, generując w ten sposób prąd. Kanały te są niezwykle ważne, ponieważ otwierają/zamykają się w bardzo określonych momentach i umożliwiają aktywację neuronu. W ten sposób neurony komunikują się ze sobą i sprawiają, że mózg jest tym, czym jest. Jednak można sobie wyobrazić trudności związane z próbą zbadania pojedynczego neuronu spośród dziesiątek miliardów w splątanej sieci mózgu. Naukowcy niedawno ominęli przeszkody spowodowane ekstremalną złożonością mózgu ssaków, wykorzystując technikę zwaną optogenetyką. Wykorzystuje ona kombinację światła i inżynierii genetycznej do kontrolowania komórek mózgu.

Metody neuromodulacji poprzedzające optogenetykę opierały się na wykorzystaniu mikroelektrod wprowadzanych do mózgu w przybliżonym miejscu zainteresowania. Ta nieprecyzyjna konfiguracja stymuluje elektrycznie wszystkie komórki w miejscu wprowadzenia, co umożliwia jedynie ogólne badanie określonych obszarów mózgu. Inne problemy związane z mikroelektrodami obejmują to, że nie można ich kontrolować w tej samej skali czasowej co zdarzenia neuronalne. Neuronaukowcy, ktorzy zaczęli zajmować się tymi ograniczeniami odkryli, że w zupełnie odrębnej gałęzi biologii, inni naukowcy kontrolowali reakcje komórkowe wykorzystując do tego światło. Mikroby i algi rozwinęły mechanizmy wychwytywania fotonów światła w celu pozyskiwania informacji o ich środowisku i generowania energii.

Odkryto białko (ChR2), które umożliwia przepływ dodatnich jonów sodu (Na+) do komórki, gdy jest stymulowana przez niebieskie światło, powodując wyzwalanie potencjału czynnościowego. Inne białko (NpHR) ma odwrotny efekt, powodując ujemny strumień jonów chlorkowych (Cl-) do komórki, gdy jest stymulowana żółtym światłem, blokując odpalanie neuronów. Dwie inne opsyny, (Arch) i Mac, pompują protony do komórek, gdy są stymulowane światłem, a więc również hamują aktywność neuronów. W ten sposób ChR2 i NpHR/Arch/Mac mogą być wykorzystane do stymulacji lub blokowania odpowiedzi neuronalnej, umożliwiając badania nad wzmocnieniem lub utratą funkcji precyzyjnej populacji neuronalnej. W przypadku eksperymentów optogenetycznych, światło jest dostarczane za pomocą kabla światłowodowego lub półprzewodnikowego źródła światła przez na przykład wszczepione urządzenie. Długości fal, które mogą wnikać głębiej w tkanki, są na tyle dokładne, aby naukowcy mogli badać nawet te typy komórek, które znajdują się głęboko w tkankach. Odpowiedzi komórek stymulowanych światłem są rejestrowane za pomocą optrod, które umożliwiają szybki odczyt sygnałów elektrycznych.

Implanty i bezprzewodowa transmisja danych Badaczom udało się skonstruować nowoczesny implant optogenetyczny, który jest całkowicie wszczepialny i zupełnie bezprzewodowy. Urządzenie nie wymaga też wymiany zasilania, a ładować można go za pomocą smartfona i bezprzewodowej transmisji danych. Co więcej, w ten sam sposób możliwe jest sterowanie działaniami implantu i tym samym, bezpośrednia kontrola nad bieżącą aktywnością neuronów w mózgu. Urządzenie 1-LED

Rysunek 1 ilustruje kluczowe cechy cienkiego, elastycznego bezprzewodowego systemu optoelektronicznego, który wykorzystuje indukcyjne sprzężenie rezonansowe i technologię komunikacji bliskiego zasięgu (NFC) do zasilania i sterowania miniaturową diodą LED montowaną na powierzchni. Rysunek 1A przedstawia schemat blokowy komponentów funkcjonalnych. Bezprzewodowe połączenie o częstotliwości 13,56 MHz jest ustanawiane przez indukcję magnetyczną między cewkami związanymi z urządzeniem a zewnętrznym czytnikiem (tj. dowolnym smartfonem, tabletem itp. z obsługą NFC) i umożliwia dostarczanie energii do układu NFC, który monolitycznie integruje 64-bitowe przechowywanie danych i możliwości zbierania energii. Ten ostatni dostarcza zasilanie DC do diody LED. Działanie tego układu jest możliwe nawet pod wodą, przez metalowe klatki, czy płyty, przy minimalnych wymaganiach w zakresie optymalizacji i strojenia częstotliwości radiowych. Zastosowanie chipu NFC daje możliwość połączenia implantu z telefonem komórkowym, a ostatecznie ułatwienia przełożenia tej technologii na pacjentów (rysunek 1E).

Prototyp 2-LED Bardziej skomplikowane eksperymenty wymagają opracowania urządzeń zawierających wiele diod LED, które można niezależnie aktywować na żądanie, oraz czujników, których informacje są przesyłane bezprzewodowo w czasie rzeczywistym. Poniższy rysunek przedstawia bardziej zaawansowaną wersję urządzenia przedstawionego na rysunku 1. Prototyp implementuje niektóre z wyżej wymienionych funkcji poprzez integrację dwóch diod LED i jednego czujnika temperatury (NTC), których selektywne sterowanie i odczyt wymagają dodania mikrokontrolera, podczas gdy komunikacja nadal opiera się na technologii NFC (rysunek 4A i rysunek uzupełniający S10). Urządzenie może być programowane i sterowane za pomocą niestandardowego oprogramowania.

μ-ILED Ostatnie postępy w materiałoznawstwie, mikro/nanofabrykacji i technikach bezprzewodowych umożliwiły stworzenie przewlekłych, wolnych od uwięzi systemów optoelektronicznych. Nieorganiczna dioda elektroluminescencyjna w mikroskali jest podstawowym elementem takich systemów ze względu na jej współczynnik kształtu w skali komórkowej umożliwiający integrację z miękkimi, elastycznymi sondami, niskie zapotrzebowanie na energię, dzięki czemu nadają się do pracy bezprzewodowej, oraz zdolność do precyzyjnego przestrzennego kierowania na określone neurony. Kombinatoryczna integracja miękkich sond neuronowych opartych na μ-ILED z różnymi schematami bezprzewodowego sterowania i zasilania stworzyła różne rodzaje bezprzewodowej optoelektroniki, które mają niewielkie rozmiary i wagę odpowiednią do optogenetyki u swobodnie poruszających się organizmów żywych. Te najnowocześniejsze bezprzewodowe systemy neuronowe umożliwiają kompleksowe badania behawioralne w bardziej naturalnych warunkach, i poprawiają przewlekły wpływ na organizmy poprzez usunięcie nadmiernego stresu lub podrażnień, które mogą być spowodowane przez sztywne implanty. W oparciu o wszczepione konfiguracje, które zależą głównie od schematów łączności bezprzewodowej i zasilania, miękką bezprzewodową optoelektronikę można podzielić na dwie szerokie kategorie, tj. (A) montowane na głowie i (B) w pełni wszczepialne systemy bezprzewodowe.

Powyższy w pełni wszczepialny, ładowalny bezprzewodowo, miękki system optoelektroniczny może otworzyć możliwości włączenia optogenetyki w ludzkim mózgu. Klejny rysunek ilustruje demonstrację koncepcji takiego systemu pod kątem jego potencjalnego działania. W pełni wszczepialny system bezprzewodowy (rys. 5a) może być używany jako urządzenie kliniczne, które można kontrolować za pomocą manipulacji smartfonem w celu optycznej stymulacji docelowych obwodów nerwowych (po lewej), i które można ładować bezprzewodowo za pomocą ładowania bezprzewodowego (prawy, rys. 16a uzupełniający). "Elementem niezbędnym do prowadzenia terapii optogenetycznych, z użyciem implantów zasilanych bezprzewodowo, jest stabilna sieć. Czynności związane z tą techniką muszą bowiem przebiegać w czasie rzeczywistym, a wszelkie opóźnienia, zakłócenia, czy ograniczenia związane z niedostateczną przepustowością przesyłu danych są w tym przypadku istotną przeszkodą." Rozwiązaniem tego "problemu" jest oczywiście wprowadzenie sieci komórkowej, w postaci 5G...

Kontrolowanie genów za pomocą światła Istnieje wiele różnych grup badawczych pracujących nad opracowaniem sposobów wykorzystania światła do kontrolowania genów. Niektórzy włączają do swojej pracy edytor genów CRISPR/Cas9. Naukowcy z Uniwersytetu Nanjing w Chinach stworzyli nanonośnik, który może reagować na światło i zawiera system CRISPR/Cas9. Zespół wykorzystał „nanoprzetworniki”, które są w stanie zmienić światło z bliskiej podczerwieni na lokalne światło ultrafioletowe, co pozwala na rozszczepianie cząsteczek światłoczułych. System działa w celu udostępnienia terapii CRISPR/Cas9 na żądanie, jako zlokalizowanego edytora genów. W różnych badaniach przeprowadzonych na Duke University naukowcy opracowali technikę aktywacji genów w określonym miejscu, łącząc naturalne białka roślinne aktywowane światłem z CRISPR/Cas9. Rośliny wyczuwają porę dnia za pomocą białek, które łączą się w odpowiedzi na światło. Naukowcy połączyli system CRISPR/Cas9 z niektórymi z tych białek i po prostu świecąc niebieskim światłem na komórki, geny można było włączać i wyłączać. „Ta technologia powinna umożliwić naukowcowi wybranie dowolnego genu na dowolnym chromosomie i włączenie lub wyłączenie go za pomocą światła, co może potencjalnie zmienić to, co można zrobić za pomocą inżynierii genetycznej” - powiedziała Lauren Polstein, absolwentka Duke'a. „Zaletą robienia tego za pomocą światła jest to, że możemy szybko i łatwo kontrolować, kiedy gen jest włączany lub wyłączany oraz poziom, do którego jest on aktywowany, zmieniając intensywność światła. światło w określonych wzorach, na przykład przepuszczając światło przez szablon”. Tworząc różne wzorce ekspresji genów naukowcy mogą nakłonić komórki, aby stały się określonymi typami tkanek i konstruować materiały biologiczne.

W innej publikacji z czasopisma ACS Nano Letters naukowcy zaprojektowali nanourządzenie DNA, które może kierować komórki macierzyste do miejsca urazu za pomocą światła bliskiej podczerwieni. Light Fidelity (LI-FI) Light Fidelity jest systemem komunikacji widzialnej (VLC), który umożliwia komunikację bezprzewodową poruszającą się z bardzo dużą prędkością.

Dzięk Li-Fi żarówka staje się w zasadzie routerem. Wykorzystuje zwykłe domowe żarówki LED, aby umożliwić przesyłanie danych z prędkością do 224 gigabitów na sekundę. Li-Fi i Wi-Fi są dość podobne, ponieważ oba przesyłają dane elektromagnetycznie. Wi-Fi wykorzystuje jednak fale radiowe, podczas gdy Li-Fi działa na falach światła widzialnego. Jak już wiemy, Li-Fi jest systemem Visible Light Communications (VLC). Oznacza to, że zawiera fotodetektor do odbierania sygnałów świetlnych i element przetwarzania sygnału do konwersji danych na treści "strumieniowe". Żarówka LED jest półprzewodnikowym źródłem światła, co oznacza, że stały prąd elektryczny dostarczany do żarówki LED może być obniżany i ściemniany, w górę i w dół z bardzo dużą prędkością, bez widoczności dla ludzkiego oka. Na przykład, dane są wprowadzane do żarówki LED (z technologią przetwarzania sygnału), która następnie wysyła dane (osadzone w jej wiązce) z dużą prędkością do fotodetektora (fotodiody). Drobne zmiany w szybkim ściemnianiu żarówek LED są następnie przekształcane przez "odbiornik" w sygnał elektryczny. Sygnał jest następnie konwertowany z powrotem na binarny strumień danych, który rozpoznalibyśmy jako aplikacje internetowe, wideo i audio, które działają na urządzeniach z dostępem do Internetu. Technologia ta może być również stosowana w niewidocznych częstotliwościach, takich jak podczerwień, promieniowanie rentgenowskie i ultrafioletowe.

https://www.youtube.com/watch?v=R5csZBq9sJI

"Sygnały Li-Fi nie mogą przenikać przez ściany, więc aby cieszyć się pełną łącznością, w całym domu trzeba będzie umieścić odpowiednie żarówki LED. Nie wspominając już o tym, że Li-Fi wymaga żarówki włączonej przez cały czas, aby zapewnić łączność, co oznacza, że światła będą musiały być włączone w ciągu dnia." Dlaczego więc z aż takim pośpiechem stare lampy uliczne wymieniane są na nowe, z żarówkami LED? Czym jest to, co w obecnej chwili postrzegamy jako słońce? A cała technologia smart? Łączmy kropki... "Jeśli LI-FI się przyjmie, tam, gdzie jest światło, będzie łączność z Internetem za pośrednictwem LiFi." Źródła i tłumaczone fragmenty: https://www.youtube.com/watch?v=R5csZBq9sJI https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2019.00819/full https://epigenie.com/optogenetics/ https://www.techspot.com/article/1531-optogenetics/ https://www.nature.com/articles/s41467-020-20803-y https://stop5g.cz/us/optogenetics-li-fi-light-fidelity-dangers-of-5g-led-street-light-phototoxicity-smart-light/ https://www.scienceabc.com/innovation/what-is-lifi-and-how-it-provides-100-times-faster-internet-connectivity-than-wifi.html https://www.techadvisor.com/article/738781/what-is-li-fi-everything-you-need-to-know.html Opracowanie: Oliwia

Korekta: Olita