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. 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. 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, powodując krzyżowanie się linii, co uniemożliwia identyfikację konkretnych neuronów zaangażowanych w określony proces. Z tego powodu metoda elektrodowa 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 i ograniczają mobilność badanych organizmów. Neuronaukowcy zaczęli zajmować się tymi ograniczeniami i odkryli, że w zupełnie odrębnej gałęzi biologii 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. Białka opsynowe, w tym rodopsyny kanałowe, halorhodopsyny i bakteriohodopsyny, nadają specyficzne odpowiedzi komórkowe poprzez kontrolowanie przepływu jonów przez błonę komórkową, gdy są wystawione na działanie wąskiego zakresu długości fal. Odkryto białko zwane channelrhodopsin (ChR2), które umożliwia przepływ dodatnich jonów sodu (Na+) do komórki, gdy jest stymulowana przez niebieskie światło. Ten napływ jonów powoduje, że neurony wyzwalają potencjał czynnościowy. Z drugiej strony, halorhodopsyna (NpHR) ma odwrotny efekt, powodując ujemny strumień jonów chlorkowych (Cl-) do komórki, gdy jest stymulowana żółtym światłem, blokując odpalanie neuronów. Dwie inne opsyny, Archaerhodopsin-3 (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. Najczęstszą metodą dostarczania opsyny jest wektor wirusowy, który sam w sobie nie jest ukierunkowany na żaden konkretny typ komórek, ale jest raczej dostarczany regionalnie. Precyzyjna kontrola nad określonymi populacjami komórek ma postać promotora "konia trojańskiego" obozującego przed genem opsyny. Wywołuje to ekspresję opsyny tylko w komórkach, w których ten promotor jest aktywny, umożliwiając precyzyjną kontrolę przestrzenną komórek. 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 a tyle dokładne, aby naukowcy mogli badać nawet te typy komórek, które znajdują się głęboko w tkankach. Odpowiedzi komórek symulowanych 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