광유전학

Optogenetics
이 기사는 빛으로 세포 활동을 조절하는 것에 관한 것입니다.유전적으로 인코딩된 센서의 경우 세포 활동을 기록하는 광유전학적 방법을 참조하십시오.

광유전학은 빛을 가지고 뉴런이나 다른 종류의 세포들의 활동을 조절하는 생물학적 기술이다.이는 특히 표적 세포에서 빛에 민감한 이온 채널, 펌프 또는 효소의 발현에 의해 달성된다.개별 세포의 수준에서, 광활성화 효소와 전사 인자는 생화학적 신호 [1]경로의 정밀한 제어를 가능하게 한다.시스템 신경과학에서, 유전적으로 정의된 일련의 뉴런의 활동을 제어하는 능력은 의사결정,[2] 학습,[3] 두려움 기억,[4] [5]짝짓기, 중독,[6] 영양 공급,[7] [8]이동에 대한 그들의 공헌을 이해하기 위해 사용되어 왔다.광유전학 기술의 첫 번째 의학적인 적용에서 시각장애 환자의 [9]시력은 부분적으로 회복되었다.

광유전학 기술은 [10][11]또한 뇌의 기능적 연결성을 지도화하기 위해 도입되었다.유전적으로 표시된 뉴런의 활동을 빛으로 바꾸고 다른 세포의 활동을 기록하기 위해 이미징과 전기생리학 기술을 사용함으로써, 연구자들은 세포와 [12][13]뇌 영역 사이의 통계적 의존성을 확인할 수 있다.

넓은 의미에서 광유전학에는 유전적으로 부호화된 지표로 세포 활동을 기록하는 방법도 포함된다.

2010년에는 광유전학이 학술지 '네이처 메서드([14]Nature Methods)'에 의해 이공계 전 분야에서 '올해의 방법'으로 선정됐다.이와 함께 광유전학이 [15][16][17]학술지 사이언스에 실린 10년의 돌파구 기사에서 집중 조명됐다.

역사

1979년 프란시스 크릭은 뇌의 모든 종류의 세포를 통제하고, 다른 세포들은 거의 바꾸지 않고 두는 것이 신경과학의 진정한 도전이라고 제안했다.프란시스 크릭은 빛을 이용한 기술이 시간적, 공간적 정밀도로 뉴런의 활동을 조절하는데 유용할 수 있다고 추측했지만 당시에는 뉴런이 빛에 반응하도록 만드는 기술이 없었다.

1990년대 초까지 LC Katz와 E Callaway는 빛이 글루탐산염을 [18]분해할 수 있다는 것을 보여주었다.Heberle과 Büldt는 1994년에 [19]효모에서 광활성 이온 흐름에 대한 박테리어호돕신의 기능적 이종 발현을 이미 보여주었다.이후 1995년 게오르크 나겔 외 연구진과 에른스트 밤버그는 미생물 로돕신(박테리어호돕신 및 비신경계인 Xenopus 난모세포)의 이종 발현을 시도했고(Nagel 외 연구진, 1995년, FERS Lett) 빛 유도 전류를 보였다.

로돕신 감응 뉴런을 제어하기 위해 빛을 사용한 최초의 유전자 표적 방법은 2002년 1월에 Drosophila Rhodopsin 배양 포유류 [20]뉴런을 사용한 Boris Zemelman과 Gero Miesenböck에 의해 보고되었습니다.2003년 Zemelman과 Miesenböck는 단일 이오노트로픽 채널 TRPV1, TRPM8 및 P2X2가 [21]빛에 반응하여 광매개된 배위자에 의해 게이트되는 두 번째 뉴런 광의존성 활성화 방법을 개발했다.2004년부터, 크레이머와 이자코프 그룹은 Trauner 그룹과 협력하여 유전적으로 도입된 [22][23]이온 채널과 상호작용할 수 있는 유기 광전도 또는 "역적으로 케이지된" 화합물을 개발했습니다.TRPV1 방법론은 조명 방아쇠가 없었지만 실험 동물의 섭식,[24][25][26] 이동 및 행동 복원력을 변경하기 위해 여러 실험실에서 사용됐다.그러나,[27] 신경 활성을 변경하기 위한 빛 기반 접근법은 최초 실험실 밖에서는 적용되지 않았다. 이는 채널로돕신을 사용하는 것이 더 쉬웠기 때문일 것이다.

레겐스버그 대학에서 녹조의 광반응을 연구하던 피터 헤게만은 G단백질 결합 동물 로돕신으로는 설명할 [28]수 없는 광전류를 발견했다.프랑크푸르트 막스 플랑크 연구소의 전기생리학자인 게오르크 나겔과 팀을 이루어, 그들은 알가 클라미도모나스의 단일 유전자가 [29]개구리의 난모세포에서 발현될 때 큰 광전류를 발생시킨다는 것을 증명할 수 있었다.발현 세포를 식별하기 위해, 그들은 조류 단백질의 세포질 꼬리를 형광 단백질 YFP로 대체하여 일반적으로 적용되는 최초의 광유전학적 도구를 [27]생성했다.그들은 2003년 논문에서 "난모세포나 포유동물 세포에서 ChR2의 발현은 단순히 조명만으로 세포질2+ Ca 농도를 증가시키거나 세포막을 탈분극시키는 강력한 도구로 사용될 수 있다"고 밝혔다.

스탠퍼드대 생명공학과의 칼 데이세로스는 채널로돕신을 발현하는 뉴런의 [30]빛 활성화에 대해 2004년 7월 초부터 노트 페이지를 발표했다.2005년 8월 대학원생 Ed Boyden과 Feng Zhang을 포함한 그의 연구실 직원은 Georg Nagel과 협력하여 Nagel과 Hegemann의 [27]Channel Rhodopsin-2(H134R)-EFP 구조를 사용하여 뉴런에서[31] 단성분 광유전 시스템을 최초로 시연했습니다.

Wayne State University의 Zhuo-Hua Pan은 시력 회복에 대해 연구하면서 뇌와 직접 연결되는 우리 눈의 신경절 세포인 Channelrodopsin을 시험했다.판 [32]교수에 따르면 판 교수가 망막 뉴런의 광학적 활성화에 대해 처음 관찰한 것은 데이세로스가 처음 관찰한 지 한 달 뒤인 2004년 8월이었다.실제로, 감염된 뉴런은 빛에 반응하여 전기적으로 활성화되었으며, 2005년 Zhuo-Hua Pan은 생쥐의 망막 신경절 세포에서 채널로돕신의 생체내 전달 성공과 망막 슬라이스 [33]배양에서의 광자극에 대한 전기적 반응을 보고했다.이 접근방식은 2021년 [9]Botond Roska와 동료들에 의해 결국 인간 환자에게 실현되었다.

2005년 4월, 수산나 리마와 미센뵈크는 동물의 [34]행동을 제어하기 위해 유전자 표적 P2X2 광자극을 처음으로 사용했다고 보고했다.그들은 도파민 작용 시스템과 같은 유전적으로 제한된 뉴런 그룹의 광자극이 초파리의 특징적인 행동 변화를 유발한다는 것을 보여주었다.

2005년 10월, 린 랜드메서와 스테판 헤리츠는 또한 배양된 해마 뉴런의 신경 활성과 온전한 [35]배아의 닭 척수 회로를 제어하기 위해 채널로호드신-2를 사용하는 것을 발표했습니다.또한 해마신경세포 및 온전한 발달 중인 [35]닭배아에서도 세포내 신호경로를 모집하여 신경활동을 억제하는 도구로 광활성화 G단백질결합수용체인 척추동물 로돕신을 최초로 도입하였다.

Alexander Gottschalk와 Georg Nagel의 그룹은 최초의 ChR2 돌연변이(H134R)를 만들었고, 온전한 동물의 신경 활동을 제어하기 위해 채널로돕신-2를 처음으로 사용했는데, 이는 회충 C. 엘레강스의 운동 패턴이 유전적으로 선택된 신경 회로의 빛 자극에 의해 유발될 수 있다는 것을 보여준다(2005년 [36]12월 출판).생쥐에서 광유전학적 도구의 제어된 발현은 종종 Joe Z가 신경과학을 위해 개발한 세포 유형 특이적 Cre/loxP 방법으로 달성된다. 체내[37] 특정 [38]뇌 영역과 세포 유형을 활성화하거나 억제하기 위해 1990년대에 시엔이 사용되었습니다.

2007년 보이든과 데이세로스의 연구실(고트샬크, 나겔 그룹과 함께)은 동시에 [39][40]뉴런의 광유전학적 활동 억제에 성공했다고 보고했다.

2007년 나겔과 헤게만 그룹은 cAMP의 [41]광유전학적 조작을 시작했다.2014년 아베라 외 연구진은 곰팡이로부터 최초의 로돕신-구아닐시클라아제 유전자를 보고했다.2015년 Scheib 등 및 Gao 등은 로돕신-구아닐 사이클라아제 유전자의 활성을 특성화하였다.시창 가오 외 연구진, 게오르크 나겔, 알렉산더 고트샬크는 최초의 8 TM 효소 로돕신이라고 밝혔다.[42]

어워드

광유전학 기술이 뇌 연구에 미치는 강력한 영향은 이 분야의 주요 기업들에 대한 수많은 상으로 인정받았다.

2010년에는 게오르크 나겔, 피터 헤게만, 에른스트 밤베르크가 생물의학[43] 분야에서 와일리상을 수상했으며,[44] 2010년에는 칼 하인츠 베쿠르트상을 수상한 바 있다.같은 해, Karl Deisseroth는 "신경 네트워크의 기본 행동을 연구하기 위한 광유전학적 방법의 개발에 대한 선구적인 연구"[45]로 제1회 HFSP Nakasone 상을 받았습니다.

2012년 밤베르크, 데이세로스, 헤게만, 나겔은 막스 플랑크 [46]협회에 의해 줄치상을 수상했고 미센뵈크는 "신경 활동을 조작하고 동물의 [47]행동을 제어하는 광유전학적 접근법을 개척한" 공로로 바일렛 라투르 건강상을 수상했다.

2013년, 나겔과 헤게만은 의학상 수상자 [48]중 한 명이었다.또한 그해 밤베르크, 보이든, 데이세로스, 헤게만, 미센뵈크, 나겔은 "그들의 발명과 광유전학의 [49][50]정교함"으로 공동으로 뇌상을 수상했다.

2017년, 데이세로스는 "광유전학과 하이드로겔 조직 화학에서의 발견과 [51]우울증의 신경 회로 기초에 대한 연구"로 엘스 크뢰너 프레세니우스 연구상을 수상했다.

2018년, 이나모리 재단은 「광유전학」과 「시스템 신경과학 연구의 [52]혁명」에 대해, 데이세로스에 교토상을 수여했다.

2019년 밤베르크, 보이든, 데이세로스, 헤게만, 미센뵈크, 나겔은 "광유전학의 [53]발명과 정교함과 관련된 그들의 놀라운 공헌"을 인정받아 미국 예술과학아카데미로부터 럼포드상을 수상했다.

2020년에는 광유전학 및 하이드로겔 조직 화학을 개발한 공로로 네덜란드 왕립 [54]예술 과학 아카데미로부터 하이네켄 의학상을 수상했습니다.같은 해, 미센보크, 헤게만,[55] 나겔은 공동으로 생명과학·의학 분야에서 쇼상을 수상했다.

2021년 헤게만, 데이세로스, 디터 오스테헬트는 알버트 래스커 기초의학연구상을 수상했다.

묘사

그림 1. Channelrhodopsin-2(ChR2)는 랫드 예비전두피질뉴런에서 시간적으로 정밀한 청색광 구동 활성을 유도한다.a) 형광 CaMklα의 청색광 전달 및 전세포 패치 클램프 기록을 보여주는 시험관 내 도식도(왼쪽):: 급성 뇌 슬라이스에서 피라미드 뉴런(오른쪽)을 발현하는 ChR2-EYFP. b) 청색광(473 nm) 전달 및 단일 단위 기록을 나타내는 생체내 도식(왼쪽 아래) CaMklα 발현을 나타내는 관상 뇌 슬라이스:: 예비 영역의 ChR2-EYFP.하늘색 화살표는 광섬유의 끝을 나타내고 검은색 화살표는 기록 전극의 끝을 나타냅니다(왼쪽).흰색 막대, 100µm. (오른쪽 아래) 변환된 CaMKlα에서 전전두피질 뉴런의 생체 내 광기록:: ChR2-EYFP 래트(오른쪽)는 20Hz의 청색 광선 펄스로 광선 발생 스파이크를 나타냅니다.삽입, 대표적인 광유발 단일 단위 [56]반응입니다.
그림 2. 할로호돕신(NpHR)은 래트 예비전두피질에서 신속하고 가역적으로 자발적 활동을 침묵시킨다. (왼쪽 상단) 자발적 활성 CaMKlα:eNp의 생체내 녹색(532nm) 광전달 및 단일 단위 기록을 나타내는 도식도피라미드 뉴런을 발현하는 HR3.0-EYFP. (오른쪽) 연속 532 nm 조명이 생체 내 단일 단위 활동을 억제한다는 것을 보여주는 예.삽입, 대표적인 단일 유닛 이벤트, 녹색 바,[56] 10초
감광 이온 채널 Mac을 나타내는 선충.맥은 원래 Leptosphaeria maculans 균에서 분리된 양성자 펌프이며 녹색 빛에 반응하여 열려 과분극 억제를 일으키는 C. elegans의 근육 세포에서 발현됩니다.주목할 만한 것은 이 벌레가 녹색 빛에 노출될 때마다 겪는 몸길이의 연장인데, 이는 아마도 맥의 근육 이완 [57]효과로 인한 것으로 추정된다.
청색광에 의한 자극에 반응하여 ChR2를 구배근군으로 발현하는 선충.푸른 빛 자극은 구근육을 반복적으로 수축시켜 교미 [58]중에 자연스럽게 나타나는 스파이슐의 반복적인 추력을 일으킨다.

광유전학은 밀리초 단위의 시간적 정밀도를 제공하여 실험자가 빠른 생물학적 정보 처리 속도를 유지할 수 있도록 합니다(예를 들어 정의된 뉴런에서 특정 활동 전위 패턴의 인과적 역할을 조사하는 것).실제로 신경 코드를 조사하기 위해서는 정의상 광유전학은 포유류를 포함한 온전한 동물의 뇌에서 특정 세포 내에서 정확한 활동 패턴을 추가하거나 삭제할 수 있도록 밀리초 단위로 작동해야 한다(그림 1 참조).이에 비해, 전통적인 유전자 조작의 시간적 정밀도는 몇 시간에서 며칠에서 몇 달로 다소 느리다.광학 제어에 보조를 맞출 수 있는 광유전학에서도 빠른 판독치가 중요합니다.이것은 전기 기록 ("옵트로데스") 또는 바이오센서인 리포터 단백질로 이루어질 수 있습니다.여기서 과학자들은 형광 단백질을 검출하기 위해 융합했습니다.추가적으로, 그것의 과학적 영향 너머 광유전학은 생태 보존의 가치에서 중요한 사례 연구를 나타낸다 (광유전학의 많은 주요 도구들이 전문화된 환경 틈새를 점유하는 미생물 유기체로부터 발생함), 그리고 이러한 opsins가 그들의 수 십 년 동안 연구되었기 때문에 순수 기초 과학의 중요성.생체물리학자와 미생물학자가 [59]신경과학 및 신경정신질환에 대한 통찰력을 전달하는데 있어 잠재적 가치를 고려하지 않고 술을 소유하고 있다.

광활성단백질: 채널, 펌프 및 효소

따라서 광유전학의 특징은 특정 표적 메커니즘을 사용하여 세포형 분해능을 유지하면서 전기적 및 생화학적 사건의 시간적 정밀한 조작을 가능하게 하는 빠른 빛 활성화 채널, 펌프 및 효소의 도입이다.신경계의 기능을 조사하는데 사용할 수 있는 미생물 옵신으로는 뉴런을 자극하는 채널로돕신(ChR2, ChR1, VChR1, SFO)과 빛에 의한 억제를 위한 음이온 전도 채널로돕신이 있다.간접적으로 빛을 조절하는 칼륨 채널은 최근 푸른 빛을 비추는 [60][61]동안 뉴런에서 활동 전위 발생을 방지하기 위해 개발되었습니다.광 구동 이온 펌프는 또한 신경 활동을 억제하는 데 사용된다. 예를 들어 할로호돕신(NpHR),[62] 강화된 할로호돕신(eNpHR2.0 및 eNpHR3.0, 그림 [63]2 참조), 아르카에르호돕신(Archaerhodopsin), 곰팡이 옵신(Mac) 및 강화된 박테리어호돕신([64]BREBRE)이다.

행동하고 있는 포유동물 내에서 명확하게 정의된 생화학 사건의 광유전학적 제어도 가능하다.척추동물 opsins를 특정 G단백질 결합[65] 수용체에 융합하는 이전 연구를 바탕으로 연구자들이 표적 [66]세포에서 cAMP 및 IP3와 같은 정의된 세포 내 전달자의 농도를 행동 포유류 내에서 조작할 수 있는 키메라 단성분 광유전학적 도구 패밀리가 만들어졌다.광유전학에 대한 다른 생화학적 접근법(크루셜적으로 어두운 곳에서 낮은 활성을 보이는 도구를 사용하여)은 곧이어 몇몇 다른 [67][68][69]실험실의 새로운 전략을 사용하여 배양 세포에서 작은 GTPases와 아데닐환원효소에 대한 광학적 제어가 달성되었다.광활성화된 아데닐환원효소는 곰팡이에서 발견되었고 포유류 [70][71]뉴런의 cAMP 수치를 조절하는데 성공적으로 사용되었습니다.광유전학적 액튜에이터의 이 새로운 레퍼토리는 이제 [72]온전한 동물 내에서 세포 기능의 여러 축에 대해 세포 유형 고유의 그리고 시간적으로 정밀한 제어를 가능하게 합니다.

라이트 어플리케이션용 하드웨어

또 다른 필수 요소는 하드웨어(예: 통합 광섬유 및 고체 광원)로 뇌 깊숙이 있는 특정 세포 유형을 자유롭게 행동하는 동물에서 제어할 수 있게 한다.흔히, 현재는 후자는fiberoptic-coupled 다이오드 기술지만 이식된 전극의 사용을 피하도록 2007,[73][74][75]에 소개된를 사용하여 수행됩니다, 연구원들 방법들은"창문"은 투명해 질 그리고 쥐들 두개골 안에 이식된 수정되었는지 지르코니아로 만든 새기기, 광학 파장을 더 스며들게 하기에 이르렀다. 깊이가 어떻게 될개별 [76]뉴런을 조절하거나 억제합니다.대뇌피질 등 뇌 표면 부위를 자극하기 위해 광섬유나 LED를 동물의 두개골에 직접 장착할 수 있다.더 깊게 이식된 광섬유가 뇌의 더 깊은 부분에 [77]빛을 전달하기 위해 사용되어 왔다.광섬유 연결 접근법을 보완하는 완전한 무선 기술은 자유롭게 움직이는 [78]유기체의 복잡한 행동을 방해받지 않고 연구하기 위해 헤드본 LED에 무선으로 전달되는 전력을 이용하여 개발되었다.최근 광유전학을 [79]위한 자극으로 유기 LED(OLED)를 사용하는 것에 대한 연구도 진행되고 있다.미생물 옵신을 발현하는 신경세포의 정밀하고 통제된 자극은 밀리초 단위로 시험관내에서 증명되었다.펄스 모드 작동으로 호환 가능한 저온 내에서 신경 자극을 허용합니다.또한 유기발광다이오드(OLED)는 두께가 1μm [79]미만인 매우 얇아 뇌내 삽입에 적합하다.

광유전학적 액추에이터의 발현

광유전학은 또한 살아있는 동물(예: 벌레, 초파리, 생쥐, 쥐, 원숭이)의 뇌에서 특정 뉴런 집단에 빛에 민감한 탐침을 전달하기 위해 세포 특이적 촉진제 또는 다른 맞춤형 조건 활성 바이러스와 같은 유전자 표적 전략의 개발을 반드시 포함한다.벌레나 초파리와 같은 무척추동물에서는 어느 정도의 전망막(ATR)이 식품으로 보충된다.위에서 언급한 미생물 opsin의 [75]주요 장점은 척추동물에서 외인성 공동 인자를 추가하지 않고도 완전히 기능한다는 것이다.

기술.

광유전학 응용에 있어서 세 가지 주요 구성 요소는 (A) channelrodopsin-2(ChR2), halorhodopsin(NpHR) 등 빛에 민감한 단백질(opsin)의 식별 또는 합성… (B) opsin을 포함한 유전자 물질을 단백질 발현에 도입하는 시스템의 설계(예: creation r)이다.발광기구의 [80]에콤비나아제 또는 아데노 관련 바이러스(C) 응용 프로그램.

광유전학을 사용하는 기술은 유연하고 실험자의 요구에 적응할 수 있다.양이온 선택 채널로돕신(예를 들어 ChR2)은 뉴런을 자극하기 위해 사용되며 음이온 전도 채널로돕신(예를 들어 GtACR2)은 뉴런 활동을 억제한다.이러한 도구를 단일 구조(예: BiPOLS)로 결합하면 조명의 [81]파장에 따라 억제와 들뜸이 모두 가능하다.

미생물 옵신을 세포의 특정 서브셋에 도입하는 것은 어렵다.일반적인 접근법은 CAMK와 같은 특정 프로모터에 부착된 광유전학적 액추에이터 유전자를 포함하는 공학적 바이러스 벡터를 도입하는 것이다.IIα, 흥분성 신경세포에서 활동합니다.이를 통해 특정 수준의 특이성을 허용하고, 예를 들어 글리아 [82]세포에서의 발현을 방지합니다.

보다 구체적인 접근법은 두 lox-P 부위 간의 재조합을 촉매하는 효소인 Cre 재조합 효소를 발현하는 트랜스제닉 "드라이버" 마우스를 기반으로 한다(예: 파르발부민 발현 인터뉴론).2개의 lox-P 부위 사이에 광유전 액추에이터 유전자를 포함한 공학적 바이러스 벡터를 도입함으로써 Cre 재조합 효소를 생성하는 세포만이 미생물 옵신을 발현시킨다.이 기술을 통해 새로운 미생물 옵신이 [83]필요할 때마다 유전자 변형 동물 전열을 만들 필요 없이 여러 개의 수정된 광유전학적 액추에이터를 사용할 수 있게 되었습니다.

미생물 옵신이 도입되고 발현된 후, 컴퓨터로 제어되는 광원은 문제의 뇌 영역에 광학적으로 결합되어야 한다.Light-Emitting Diode(LED; 발광 다이오드) 또는 Fiber-Coupled Diode-Pumped Solid-State Laser(DPSS; 광섬유결합 다이오드)가 자주 사용됩니다.최근의 진보에는 LED를 대상 영역에 적용함으로써 동물들이 [84][85]더 자유롭게 움직일 수 있는 무선 헤드 마운트 장치가 등장했습니다.

광학적 자극과 칼슘 [77]이미징을 결합하기 위해 섬유 기반 접근법을 사용할 수도 있습니다.이것은 연구자들이 깨어있는 [86]동물에서 단일 뉴런의 활동을 시각화하고 조작할 수 있게 해준다.또한 광섬유를 통해 외부에 배치된 광검출기 및 [87][88]광자극기에 연결된 GRIN 렌즈를 사용하여 여러 개의 뇌 심부 영역에서 동시에 기록할 수도 있습니다.

기술적인 과제

선택식

광유전학의 주요 문제점 중 하나는 문제가 된 모든 세포들이 동일한 수준에서 미생물 옵신 유전자를 발현하지 않을 수 있다는 것이다.따라서 정의된 빛의 세기를 가진 조명도 개별 셀에 가변적인 영향을 미칠 것이다.광원(예: 이식된 광섬유)에서 빛의 강도가 기하급수적으로 감소함에 따라 뇌의 뉴런의 광유전학적 자극은 더욱 덜 제어된다.

혈장막, 시냅스 소포 또는 [63][89]미토콘드리아와 같은 정의된 세포 하위 구획에 옵신을 목표로 하는 것은 여전히 어렵다.옵신을 수상돌기, 소마타 또는 축삭 말단과 같은 혈장막의 특정 영역으로 제한하면 신경 회로를 [89]보다 확실하게 이해할 수 있습니다.

수학적 모델링은 특정 세포 유형에서 옵신의 선택적 표현이 신경 회로의 동적 거동을 극적으로 바꿀 수 있다는 것을 보여준다.특히 억제세포를 우선적으로 대상으로 하는 광유전학적 자극은 신경조직의 흥분성을 변화시켜 비감염 뉴런에도 영향을 [90]미칠 수 있다.

동력학 및 동기화

원래 채널로돕신-2는 피질 뉴런의 일반적인 양이온 채널보다 닫히는 속도가 느렸고, 장기간의 탈분극과 칼슘 [91]유입을 초래했다.그 후 보다 유리한 동력을 가진 많은 채널로돕신 변종들이 설계되었다.[55][56]

자연 스파이크 패턴과 광유전학적 활성화의 차이점은 펄스 빛 자극이 발현 뉴런의 동기적 활성화를 만들어 자극된 집단에서 순차적 활동의 가능성을 제거한다는 것이다.따라서 영향을 받는 모집단의 세포들이 서로 어떻게 통신하는지 또는 활성화의 단계적 특성이 회로 기능과 어떻게 관련되어 있는지를 이해하는 것은 어렵다.

광유전학적 활성화는 기능성 자기공명영상(ofMRI)과 결합되어 뇌의 신경 [89][92]연결의 완전한 지도인 코넥텀을 해명했다.정확한 타이밍의 광유전학적 활성화는 지연 혈류역학 신호(BOLD) fMRI를 기반으로 보정하는 데 사용됩니다.

현재 사용되고 있는 옵신 단백질은 시각 스펙트럼 전체에 걸쳐 흡수 피크를 가지지만 푸른 [89]빛에 상당히 민감하다.이러한 스펙트럼 중첩은 옵신 활성화를 유전적으로 인코딩된 지표(GEVIs, GECIs, GluSnFR, synapto-PHluorin)와 결합하는 것을 매우 어렵게 하며, 이들 대부분은 푸른 빛 들뜸을 필요로 한다.적외선 활성화가 있는 옵신은 표준 방사선 조도 값에서 빛의 투과율을 증가시키고 빛의 산란을 감소시켜 분해능을 증가시킨다.

★★★★★★★★★★★★★★」

산란으로 인해 신경조직의 패치에서 뉴런을 자극하기 위한 좁은 빛 빔은 자극 [93]빔보다 훨씬 넓은 반응 프로파일을 불러일으킬 수 있다.이 경우 뉴런은 의도하지 않게 활성화(또는 억제)될 수 있습니다.계산 시뮬레이션[94][95] 도구는 다양한 파장의 빛에 대해 자극된 조직의 부피를 추정하기 위해 사용됩니다.

프로그램

광유전학 분야는 특정 세포 유형이 생체 내 신경 회로와 같은 생체 조직의 기능에 어떻게 기여하는지에 대한 기본적인 과학적 이해를 넓혔다.임상적인 측면에서 광유전학 주도의 연구는 파킨슨병과[96][97] 자폐증, 정신분열증, 약물 남용, 불안, [64][98][99][100]우울증과 같은 다른 신경 및 정신 질환에 대한 통찰력을 이끌어냈다.실명에 대한 실험적인 치료법은 신경절 세포에서 발현되는 채널 로돕신을 포함하며, 공학적 [101][9]고글에서 나온 빛 패턴으로 자극을 받습니다.

특정 뉴런 및 네트워크 식별

편도체

광유전학적 접근은 공포 [102][103][104][105]조절에 기여하는 편도체의 신경 회로를 매핑하는 데 사용되어 왔다.신경회로의 한 예는 기저외측 편도체에서 생쥐의 공포유발 동결행동과 관련하여 4Hz의 신경진동이 관찰된 등중앙전두피질로의 접속이다.트랜스제닉 마우스는 4Hz 진동을 담당하는 기저외측 편도체 및 등측-중측 전전두피질 모두에 위치한 인터요론을 선택적으로 감염시키는 파르발부민-Cre 프로모터가 부착된 채널로도포신-2와 함께 도입되었다.인터요론은 광학적으로 자극을 받아 동결 행동을 일으켰고, 그 결과 이러한 4Hz 진동이 등-중간 전전두피질 및 기저외측 편도체를 [106]따라 신경 집단에 의해 생성된 기본적인 공포 반응에 책임이 있을 수 있다는 증거를 제공했다.

후구

후각 감각 신경 세포의Optogenetic 활성화 냄새 processing[107]에 시기 선 보이고neuromodulatory 매개된 후각 유도 행위(예를 들어 공격성과 짝짓기)[108]게다가, optogenetics의 도움으로, 증거는 냄새의"잔상"더 집중되어 있음을 보여 주기 재현돼 왔는지에 대한 메커니즘을 비판적이었다. 중앙후각 수용체 뉴런이 위치할 주변이 아닌 후구 주변이다.Channel-Rhodopsin Ty1-ChR2에 감염된 트랜스제닉 마우스는 후구 등부 위에 위치한 473 nm 레이저로 자극되었다.후구의 승모세포의 광자극이 길어지면 광자극이 멈춘 후 해당 지역에서 더 오래 지속되는 신경 활동이 관찰되게 되는데, 이는 후각 감각 시스템이 장기적인 변화를 겪고 오래된 냄새와 새로운 [109]냄새 사이의 차이를 인식할 수 있다는 것을 의미한다.

핵액컴벤스

광유전학, 자유롭게 움직이는 포유류의 행동, 생체내 전기생리학 및 슬라이스 생리학이 직접 들뜸 또는 억제에 의해 핵의 콜린 작동성 인터뉴론을 조사하기 위해 통합되었다.축적성 뉴런의 총 모집단의 1% 미만을 대표함에도 불구하고, 이러한 콜린 작동성 세포는 핵에서 중간 가시가 있는 뉴런(MSN)[110]을 내부화하는 도파민 작동성 말단의 활동을 제어할 수 있다.이러한 축적 MSN은 코카인이 그 효과를 발휘하는 신경 경로에 관여하는 것으로 알려져 있는데, 왜냐하면 코카인에 의해 유발되는 활동의 감소가 코카인 조절을 억제하는 것으로 보여졌기 때문이다.핵에 존재하는 소수의 콜린 작동성 뉴런은 코카인 의존증[64] 치료에서 약물 요법의 실행 가능한 표적이 될 수 있다.

전전두엽피질

광유전자 자극 중 동물의 행동을 생체 내에서 연구할 수 있는 광유전자 유도 정류자가 장착된 쥐용 케이지.

개별 CAMK의 생체내 및 생체외 기록전전두엽 피질 내에서 피라미드형 뉴런을 발현하는 II AAV-ChR2는 20Hz에서 짧은 파란색 빛의 펄스로 높은 충실도의 활동 전위 출력을 보였다(그림 1).[56]

운동 피질

건강한 동물에서 생체 내에서 반복되는 광유전학적 자극은 결국 [111]발작을 유도할 수 있었다.이 모델은 옵토킨들링이라고 불립니다.

윤상피질

건강한 동물에서 해적 피질의 피라미드 세포의 생체 내 반복 광유전학적 자극이 결국 [112]발작을 유도할 수 있었다.체외 연구는 GABA [112]합성 장애로 인해 피형 회로에서 피드백 억제 상실을 밝혀냈다.

심장

광유전학은 [113]빛으로 심방세동에 발생하는 것으로 밝혀진 나선파 부정맥을 끝내기 위해 심방심근세포에 적용되었다.이 방법은 아직 개발 단계에 있다.최근의 연구는 아리스미아를 교정하고 심장 페이싱을 재동기화하는 방법으로서 광유전학의 가능성을 탐구했다.연구는 트랜스제닉 생쥐의 심실 영역에 채널로돕신-2를 심근세포에 도입하고 개방동심쥐와 폐쇄동심쥐 모두에서 광자극에 대한 체외 연구를 수행했다.광자극은 세포의 활성화를 증가시키고 심실수축을 증가시켜 심박수를 증가시켰다.또한 이 접근법은 전극 기반 CRT의 [114]대체물로 새로운 생물학적 심박조율기로 심장 재동기 치료(CRT)에 적용되었다.최근 광유전학은 제세동 에너지를 낮추기 위해 심실 부정맥을 국소 심외막 조명,[115] 일반화된 전심장[116] 조명 또는 부정맥 [117]발생 메커니즘에 기초한 맞춤형 자극 패턴으로 제세동하는 데 사용되고 있다.

나선신경절

청각장애 생쥐의 나선신경절 광유전학적 자극은 청각 [118]활동을 회복시켰다.달팽이관 영역에 대한 광유전학적 적용은 나선신경절세포(SGN)의 자극 또는 억제를 가능하게 한다.또한 SGN의 휴지 전위의 특성으로 인해 크로노스,[119] CatCh, f-Chrimson [120]등 다른 변종 단백질 channelrodopsin-2가 이용되었다.Chronos 및 CatCh 변종은 비활성 상태에서 보내는 시간이 적다는 점에서 특히 유용합니다. 따라서 파란색 빛의 방출을 줄이면서 더 많은 활동을 수행할 수 있습니다.또한 f-Chrimson으로 가공된 적색 시프트 채널을 사용하면 더 긴 파장을 사용하여 자극을 받을 수 있으므로 게이트 속도를 저하시키지 [121]않고 장기적으로 광독성의 잠재적 위험을 줄일 수 있습니다.그 결과 빛을 내는 LED는 에너지를 덜 필요로 하고 광자극과 관련된 달팽이관 보철물 아이디어는 더 [122]실현가능할 것이다.

뇌간

안면운동핵에서 발현되는 변형된 적색광 흥분성 채널로돕신(ReaChR)의 광유전학적 자극은 생쥐에서 [123]수염운동을 구동하는 데 효과적인 운동뉴론의 최소 침습적 활성화를 가능하게 했다.한 새로운 연구는 복부 피개 부위에 도파민 작동성 방출을 활성화하고 억제하기 위해 등쪽 라페 핵의 광유전학을 이용했다.활성화 트랜스제닉 마우스를 TH-Cre 프로모터와 함께 채널로돕신-2에 감염시키고 억제제를 생성하기 위해 TH-Cre 프로모터에 과분극 옵신 NpHR을 첨가하였다.그 결과 광학적으로 활성화된 도파민 작동성 뉴런은 사회적 상호작용의 증가로 이어졌으며,[124] 이들의 억제 작용은 격리된 기간이 지난 후에야 사회화의 필요성을 감소시켰다.

시각계

광유전학을 사용하여 시각 시스템을 연구하는 것은 어려울 수 있다.실제로 광유전학적 제어에 사용되는 빛은 일차 시각 회로와 이러한 광수용체 사이의 근접성의 결과로 광수용체의 활성화를 초래할 수 있다.이 경우 공간 선택성은 달성하기 어렵다(특히 플라이 옵티컬 로브의 경우).따라서 시각 시스템의 연구는 광수용체 내의 로돕신과는 다른 파장의 빛에 의해 활성화되는 채널을 사용하여 스펙트럼 분리를 필요로 한다(드로소필라의 로돕신 1의 경우 480 nm에서 피크 활성화).적색 편이 CsChrimson[125] 또는 쌍안정성 Channelrhodopsin은[126] 둘 다 스펙트럼 분리를 가능하게 하기 때문에 뉴런의 광유전학적 활성화(즉, 탈분극)에 사용된다.신경사일런트화(즉, 과분극)를 달성하기 위해 암호식물 조류종인 길라디아 세타(GtACR1)[127]에서 발견된 음이온 채널로돕신을 사용할 수 있다.GtACR1은 염소 펌프의 할로르호돕신 등급과 같은 다른 억제 채널보다 빛에 민감하며 강한 전도성을 부여합니다.활성 피크(515 nm)는 Rodopsin 1의 활성 피크(515 nm)에 가깝기 때문에 시각적 자극뿐만 아니라 광유전학적 조명도 주의 깊게 보정해야 합니다.고려해야 할 요소는 광유전 조명의 파장(GtACR1의 활성화 피크보다 높을 수 있음), 자극 크기(자극 조명에 의한 채널 활성화를 방지하기 위한) 및 광유전 조명의 강도이다.GtACR1은 T4/T5 뉴런 [128]발현을 침묵시킴으로써 드로소필라 시각계의 광유전학 연구에서 유용한 억제 도구가 될 수 있는 것으로 나타났다.이 연구들은 광운동 반응을 조사하기 위해 온전하게 행동하는 동물들에 대해서도 이어질 수 있다.

센서 모터 시스템

광유전학적으로 뉴런을 억제하거나 활성화하는 것은 행동을 [129]발생시키는데 있어서 뉴런의 필요성과 충분성을 각각 시험한다.이 접근방식을 사용하여 연구자들은 모터 출력을 제어하는 신경 회로를 해부할 수 있습니다.감각운동계의 다양한 장소에서 뉴런을 교란시킴으로써, 연구자들은 정형화된 [130]행동을 이끌어내는 하행 뉴런의 역할, 국소적인 촉각[132] 감각[131] 입력과 활동이 어떻게 움직임을 [133]생성하고 조절하는 데 있어 푸르키네 세포의 역할에 대해 알아냈다.이것은 동물의 이동과 이동의 신경적 토대를 보다 폭넓게 이해하기 위한 강력한 기술이다.

개입의 정확한 시간적 제어

현재 이용 가능한 광유전학적 액추에이터를 통해 필요한 개입(즉, 표적 뉴런의 억제 또는 흥분)의 정확한 시간적 제어를 일상적으로 밀리초 [134]수준으로 내려갈 수 있다.그러나 시간 정밀도는 광유전학적 [135]액추에이터에 따라 다르며 [93]자극의 빈도 및 강도에 따라 달라집니다.

이제 개입에 사용된 빛이 특정한 행동 요소(행동을 억제하기 위해), 특정한 조건 없는 자극(그 자극에 무언가를 연관시키기 위해) 또는 [136][137]뇌의 특정한 진동 사건에 의해 트리거되는 실험을 고안할 수 있다.이러한 접근법은 이미 여러 뇌 영역에서 사용되고 있습니다.

해마목

날카로운 파도와 리플 복합체(SWR)는 기억 형성과 통합에 역할을 하는 것으로 생각되는 해마의 뚜렷한 고주파 진동 사건이다.이러한 이벤트는 온라인에 기록된 로컬 필드 전위의 진동 사이클을 따라가면 쉽게 감지할 수 있습니다.이러한 방식으로 사건의 시작은 SWR 동안 특히 뉴런을 억제하고 광유전학적으로 [138]진동 자체를 억제하기 위해 해마로 유도되는 빛 섬광의 트리거 신호로 사용될 수 있습니다.이러한 종류의 "폐쇄 루프" 실험은 SWR 복합체와 메모리에서의 그 역할을 연구하는 데 유용합니다.

세포생물학/세포신호경로

세포력에 대한 광유전학적 제어 및 기계적 [139]전달 유도.사진 속의 세포들은 60초마다 한 시간씩 파란 빛과 동시에 영상을 받는다.이는 파란색 점이 이미지에서 깜박일 때도 표시됩니다.세포는 빛을 활성화하지 않고 한 시간 동안 이완되었다가 다시 이 순환을 반복된다.네모난 삽입물은 세포핵을 확대시킨다.

Channel Rhodopsin-2와 같은 자연광 게이트 이온 채널이 이온 플럭스의 광학적 제어를 가능하게 하는 방법과 유사하게, 자연광 제어 신호 변환 단백질은 또한 세컨드 메신저 생성과 단백질-단백질 상호작용을 포함한 생화학 경로의 광학적 제어를 가능하게 합니다.특히 세포와 발달생물학을 [140]공부하는데 유용하다.2002년 생화학적 경로를 제어하기 위해 다른 유기체로부터의 광단백질을 사용한 첫 번째 예는 [1]효모 내 유전자 전사를 제어하기 위해 식물 피토크롬과 피토크롬-상호작용인자(PIF) 간의 빛 유도 상호작용을 사용하여 입증되었다.피토크롬을 DNA결합 도메인으로, PIF를 전사활성화 도메인으로 융합함으로써 DNA결합 도메인으로 인식된 유전자의 전사활성화를 [1]빛으로 유도할 수 있다.이 연구는 예를 들어, "광섬유에 의한 직접적인 빛 전달은 심지어 더 크고 불투명한 [1]유기체 내에서조차 선택된 세포나 조직을 목표로 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 제안함으로써, 뇌에서 광유전학의 향후 발전 양상을 예측했다.그 문학에 opsins,[141][142][17][143]과 신경이 제어 정확하게로 흔히 사용되 optogenetics 지칭하며 막을 뉴런 발사 opsins postdates과 디를 이용하여 다스리는지 photoproteins과 세포 생화학의 제어 optogenetics의 정의 안에 잘 적용되어야 한다 부합되지 않았다.stinct 메커니즘광단백질을 [140]이용한 세포 생화학의 제어로부터.

다양한 세포 신호 경로에서 사용되는 감광성 단백질

식물이나 시아노박테리아에 존재하는 피토크롬 외에 식물이나 효모의 LOV 도메인(광산소전압감지 도메인), 식물의 크립토크롬 도메인은 [144][140]세포 내 생화학 경로의 광학적 제어에 이용되어 온 다른 천연 광감지 도메인이다.또한 생화학 [140]경로의 광학적 제어를 위해 형광단백질 Dronpa로부터 합성감광도메인이 설계되었다.광감지 영역에서 광흡수는 단백질-단백질 상호작용의 변화(피토크롬의 경우, 일부 LOV 도메인, 크립토크롬 및 드론파 돌연변이) 또는 연결된 단백질 세그먼트를 노출시키거나 연결된 단백질 도메인의 활성을 변화시키는 구조 변화와 결합된다(피토크롬 및 일부 LOVAI 도메인의 경우).ns)[140] 빛 조절 단백질-단백질 상호작용은 예를 들어 유전자 전사 또는 DNA 수정을 유도하기 위해 또는 예를 들어 상주 신호 [139][145][146][147][148][149]단백질을 활성화하기 위해 혈장 막에 단백질을 모집하기 위해 사용될 수 있다.또, 액티브한 경우, CRY2는 클러스터화되어 있기 때문에, 시그널링 도메인과 융합해, 클러스터 베이스의 [150]활성화를 가능하게 하기 위해서 광활성화되어 있습니다.Avena sativa(일반 귀리)의 LOV2 도메인은 빛 의존적인 방식으로 짧은 [151][152][153]펩타이드 또는 활성 단백질 도메인을 노출하기 위해 사용되어 왔다.이 LOV 도메인을 다른 단백질에 도입하면 빛 유도 펩타이드 [154]장애를 통해 기능을 조절할 수 있다.광유전학적으로 펩타이드를 노출시키는 asLOV2 단백질은 또한 여러 합성 빛 유도 이량화 및 빛 유도 해리 시스템(각각 [155][156]iLID 및 LOVTRAP)의 발판으로 사용되어 왔다.그 시스템은 단백질 분할 [157]전략을 통해 단백질을 조절하는데 사용될 수 있다.또한 광분해성 Dronpa 도메인은 단백질 활성 부위를 어두운 곳에 가두고, 시안 빛 조명 후 페이징을 해제하고, 보라색 빛 조명 [158]후 에이징을 다시 하는 데 사용되었습니다.

빛에 의한 신호 변환의 시간적 제어

셀 신호 경로가 신호 지속 시간 및 응답을 다른 [159]출력으로 변환하는 방법을 설명하기 위해 다양한 시간 지속 시간 동안 신호를 광학적으로 제어하는 기능이 연구되고 있습니다.자연신호 캐스케이드는 자극 타이밍 지속시간과 역학의 [160]차이에 다른 출력으로 반응할 수 있다.예를 들어, PC12 세포를 표피 성장인자(EGF, ERK 활성의 과도 프로파일을 유도)로 처리하는 것은 세포 증식으로 이어지는 반면, 신경 성장인자(NGF, ERK 활성의 지속적인 프로파일을 유도)의 도입은 뉴런 유사 [161]세포로의 분화로 이어진다.이 동작은 처음에는 EGF 및 NGF 애플리케이션을 사용하여 특징지어졌지만, 이 소견은 광학 [162]입력으로 부분적으로 복제되었습니다.또한, 광분해성 드론파 [158]도메인으로 설계된 광전환 가능한 RAF의 맥동 활성화를 사용하여 RAF-MEK-ERK 경로에서 빠른 음성 피드백 루프가 발견되었다.

광유전자 노이즈 자극

엘리아스 만자레스 교수의 연구팀은 광유전학적 노이즈-발광 자극을 [163][164][165]도입했다.무작위 잡음 빛을 이용해 ChR2를 발현하는 뉴런을 활성화하는 기술이다.뇌의 광유전 노이즈 광자극의 최적 레벨은 체질 감각 유발 전위, 체질 감각 자극에 대한 피라미드 뉴런의 발화 빈도 응답 및 나트륨 전류 진폭을 증가시킬 수 있다.

레퍼런스

  1. ^ a b c d Shimizu-Sato S, Huq E, Tepperman JM, Quail PH (October 2002). "A light-switchable gene promoter system". Nature Biotechnology. 20 (10): 1041–1044. doi:10.1038/nbt734. PMID 12219076. S2CID 24914960.
  2. ^ Guo ZV, Li N, Huber D, Ophir E, Gutnisky D, Ting JT, et al. (January 2014). "Flow of cortical activity underlying a tactile decision in mice". Neuron. 81 (1): 179–194. doi:10.1016/j.neuron.2013.10.020. PMC 3984938. PMID 24361077.
  3. ^ Lak A, Okun M, Moss MM, Gurnani H, Farrell K, Wells MJ, et al. (February 2020). "Dopaminergic and Prefrontal Basis of Learning from Sensory Confidence and Reward Value". Neuron. 105 (4): 700–711.e6. doi:10.1016/j.neuron.2019.11.018. PMC 7031700. PMID 31859030.
  4. ^ Liu X, Ramirez S, Pang PT, Puryear CB, Govindarajan A, Deisseroth K, Tonegawa S (March 2012). "Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall". Nature. 484 (7394): 381–385. Bibcode:2012Natur.484..381L. doi:10.1038/nature11028. PMC 3331914. PMID 22441246.
  5. ^ Tanaka R, Higuchi T, Kohatsu S, Sato K, Yamamoto D (November 2017). "Optogenetic Activation of the fruitless-Labeled Circuitry in Drosophila subobscura Males Induces Mating Motor Acts". The Journal of Neuroscience. 37 (48): 11662–11674. doi:10.1523/JNEUROSCI.1943-17.2017. PMC 6705751. PMID 29109241.
  6. ^ Stamatakis AM, Stuber GD (November 2012). "Optogenetic strategies to dissect the neural circuits that underlie reward and addiction". Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 2 (11): a011924. doi:10.1101/cshperspect.a011924. PMC 3543095. PMID 23043156.
  7. ^ Musso, Pierre-Yves; Junca, Pierre; Jelen, Meghan; Feldman-Kiss, Damian; Zhang, Han; Chan, Rachel CW; Gordon, Michael D (2019-07-19). Ramaswami, Mani; Dulac, Catherine (eds.). "Closed-loop optogenetic activation of peripheral or central neurons modulates feeding in freely moving Drosophila". eLife. 8: e45636. doi:10.7554/eLife.45636. ISSN 2050-084X. PMC 6668987. PMID 31322499.
  8. ^ Feng, Kai; Sen, Rajyashree; Minegishi, Ryo; Dübbert, Michael; Bockemühl, Till; Büschges, Ansgar; Dickson, Barry J. (2020-12-02). "Distributed control of motor circuits for backward walking in Drosophila". Nature Communications. 11 (1): 6166. Bibcode:2020NatCo..11.6166F. doi:10.1038/s41467-020-19936-x. ISSN 2041-1723. PMC 7710706. PMID 33268800. S2CID 227255627.
  9. ^ a b c Sahel JA, Boulanger-Scemama E, Pagot C, Arleo A, Galluppi F, Martel JN, et al. (July 2021). "Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy". Nature Medicine. 27 (7): 1223–1229. doi:10.1038/s41591-021-01351-4. PMID 34031601.
  10. ^ Lim, Diana; LeDue, Jeffrey; Mohajerani, Majid; Vanni, Matthieu; Murphy, Timothy (2013). "Optogenetic approaches for functional mouse brain mapping". Frontiers in Neuroscience. 7: 54. doi:10.3389/fnins.2013.00054. ISSN 1662-453X. PMC 3622058. PMID 23596383.
  11. ^ Lee, Candice; Lavoie, Andreanne; Liu, Jiashu; Chen, Simon X.; Liu, Bao-hua (2020). "Light Up the Brain: The Application of Optogenetics in Cell-Type Specific Dissection of Mouse Brain Circuits". Frontiers in Neural Circuits. 14: 18. doi:10.3389/fncir.2020.00018. ISSN 1662-5110. PMC 7193678. PMID 32390806.
  12. ^ Franconville, Romain; Beron, Celia; Jayaraman, Vivek (2018-08-20). VijayRaghavan, K; Scott, Kristin; Heinze, Stanley (eds.). "Building a functional connectome of the Drosophila central complex". eLife. 7: e37017. doi:10.7554/eLife.37017. ISSN 2050-084X. PMC 6150698. PMID 30124430.
  13. ^ Chen, Chenghao; Agrawal, Sweta; Mark, Brandon; Mamiya, Akira; Sustar, Anne; Phelps, Jasper S.; Lee, Wei-Chung Allen; Dickson, Barry J.; Card, Gwyneth M.; Tuthill, John C. (2021-12-06). "Functional architecture of neural circuits for leg proprioception in Drosophila". Current Biology. 31 (23): 5163–5175.e7. doi:10.1016/j.cub.2021.09.035. ISSN 0960-9822. PMC 8665017. PMID 34637749.
  14. ^ 광유전학 입문서:
    편집:
    코멘트:
  15. ^ News Staff (December 2010). "Insights of the decade. Stepping away from the trees for a look at the forest. Introduction". Science. 330 (6011): 1612–1613. Bibcode:2010Sci...330.1612.. doi:10.1126/science.330.6011.1612. PMID 21163985. S2CID 206593135.
  16. ^ "Method of the Year 2010: Optogenetics". Nature Video. 17 December 2010.
  17. ^ a b Deisseroth K (20 October 2010). "Optogenetics: Controlling the Brain with Light". Scientific American. Springer Nature America, Inc.
  18. ^ Crick F (December 1999). "The impact of molecular biology on neuroscience". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 354 (1392): 2021–2025. doi:10.1098/rstb.1999.0541. PMC 1692710. PMID 10670022.
  19. ^ Hoffmann A, Hildebrandt V, Heberle J, Büldt G (September 1994). "Photoactive mitochondria: in vivo transfer of a light-driven proton pump into the inner mitochondrial membrane of Schizosaccharomyces pombe". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (20): 9367–9371. Bibcode:1994PNAS...91.9367H. doi:10.1073/pnas.91.20.9367. PMC 44813. PMID 7937771.
  20. ^ Zemelman BV, Lee GA, Ng M, Miesenböck G (January 2002). "Selective photostimulation of genetically chARGed neurons". Neuron. 33 (1): 15–22. doi:10.1016/S0896-6273(01)00574-8. PMID 11779476. S2CID 16391269.
  21. ^ Zemelman BV, Nesnas N, Lee GA, Miesenbock G (February 2003). "Photochemical gating of heterologous ion channels: remote control over genetically designated populations of neurons". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (3): 1352–1357. Bibcode:2003PNAS..100.1352Z. doi:10.1073/pnas.242738899. PMC 298776. PMID 12540832.
  22. ^ Banghart M, Borges K, Isacoff E, Trauner D, Kramer RH (December 2004). "Light-activated ion channels for remote control of neuronal firing". Nature Neuroscience. 7 (12): 1381–1386. doi:10.1038/nn1356. PMC 1447674. PMID 15558062.
  23. ^ Volgraf M, Gorostiza P, Numano R, Kramer RH, Isacoff EY, Trauner D (January 2006). "Allosteric control of an ionotropic glutamate receptor with an optical switch". Nature Chemical Biology. 2 (1): 47–52. doi:10.1038/nchembio756. PMC 1447676. PMID 16408092.
  24. ^ Arenkiel BR, Klein ME, Davison IG, Katz LC, Ehlers MD (April 2008). "Genetic control of neuronal activity in mice conditionally expressing TRPV1". Nature Methods. 5 (4): 299–302. doi:10.1038/nmeth.1190. PMC 3127246. PMID 18327266.
  25. ^ Güler AD, Rainwater A, Parker JG, Jones GL, Argilli E, Arenkiel BR, et al. (March 2012). "Transient activation of specific neurons in mice by selective expression of the capsaicin receptor". Nature Communications. 3: 746. Bibcode:2012NatCo...3..746G. doi:10.1038/ncomms1749. PMC 3592340. PMID 22434189.
  26. ^ Wang M, Perova Z, Arenkiel BR, Li B (May 2014). "Synaptic modifications in the medial prefrontal cortex in susceptibility and resilience to stress". The Journal of Neuroscience. 34 (22): 7485–7492. doi:10.1523/JNEUROSCI.5294-13.2014. PMC 4035514. PMID 24872553.
  27. ^ a b c Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, et al. (November 2003). "Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (24): 13940–13945. Bibcode:2003PNAS..10013940N. doi:10.1073/pnas.1936192100. PMC 283525. PMID 14615590.
  28. ^ Harz H, Hegemann P (1991-06-06). "Rhodopsin-regulated calcium currents in Chlamydomonas". Nature. 351 (6326): 489–491. Bibcode:1991Natur.351..489H. doi:10.1038/351489a0. S2CID 4309593.
  29. ^ Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, Hegemann P (June 2002). "Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae". Science. 296 (5577): 2395–2398. Bibcode:2002Sci...296.2395N. doi:10.1126/science.1072068. PMID 12089443. S2CID 206506942.
  30. ^ Deisseroth K (September 2015). "Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience". Nature Neuroscience. 18 (9): 1213–1225. doi:10.1038/nn.4091. PMC 4790845. PMID 26308982.
  31. ^ Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (September 2005). "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity". Nature Neuroscience. 8 (9): 1263–1268. doi:10.1038/nn1525. PMID 16116447. S2CID 6809511.
  32. ^ "He may be the rightful inventor of neuroscience's biggest breakthrough in decades. But you've never heard of him". STAT. 1 September 2016. Retrieved 9 February 2020.
  33. ^ Bi A, Cui J, Ma YP, Olshevskaya E, Pu M, Dizhoor AM, Pan ZH (April 2006). "Ectopic expression of a microbial-type rhodopsin restores visual responses in mice with photoreceptor degeneration". Neuron. 50 (1): 23–33. doi:10.1016/j.neuron.2006.02.026. PMC 1459045. PMID 16600853.
  34. ^ Lima SQ, Miesenböck G (April 2005). "Remote control of behavior through genetically targeted photostimulation of neurons". Cell. 121 (1): 141–152. doi:10.1016/j.cell.2005.02.004. PMID 15820685. S2CID 14608546.
  35. ^ a b Li X, Gutierrez DV, Hanson MG, Han J, Mark MD, Chiel H, et al. (December 2005). "Fast noninvasive activation and inhibition of neural and network activity by vertebrate rhodopsin and green algae channelrhodopsin". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (49): 17816–17821. Bibcode:2005PNAS..10217816L. doi:10.1073/pnas.0509030102. PMC 1292990. PMID 16306259.
  36. ^ Nagel G, Brauner M, Liewald JF, Adeishvili N, Bamberg E, Gottschalk A (December 2005). "Light activation of channelrhodopsin-2 in excitable cells of Caenorhabditis elegans triggers rapid behavioral responses". Current Biology. 15 (24): 2279–2284. doi:10.1016/j.cub.2005.11.032. PMID 16360690. S2CID 7036529.
  37. ^ Tsien JZ, Chen DF, Gerber D, Tom C, Mercer EH, Anderson DJ, et al. (December 1996). "Subregion- and cell type-restricted gene knockout in mouse brain". Cell. 87 (7): 1317–1326. doi:10.1016/S0092-8674(00)81826-7. PMID 8980237. S2CID 863399.
  38. ^ Tsien JZ (2016). "Cre-Lox Neurogenetics: 20 Years of Versatile Applications in Brain Research and Counting…". Frontiers in Genetics. 7: 19. doi:10.3389/fgene.2016.00019. PMC 4759636. PMID 26925095.
  39. ^ Han X, Boyden ES (March 2007). "Multiple-color optical activation, silencing, and desynchronization of neural activity, with single-spike temporal resolution". PLOS ONE. Public Library of Science. 2 (3): e299. Bibcode:2007PLoSO...2..299H. doi:10.1371/journal.pone.0000299. OCLC 678618519. PMC 1808431. PMID 17375185.
  40. ^ Zhang F, Wang LP, Brauner M, Liewald JF, Kay K, Watzke N, et al. (April 2007). "Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry". Nature. 446 (7136): 633–639. Bibcode:2007Natur.446..633Z. doi:10.1038/nature05744. PMID 17410168. S2CID 4415339.
  41. ^ Schröder-Lang S, Schwärzel M, Seifert R, Strünker T, Kateriya S, Looser J, et al. (January 2007). "Fast manipulation of cellular cAMP level by light in vivo". Nature Methods. 4 (1): 39–42. doi:10.1038/nmeth975. PMID 17128267. S2CID 10616442.
  42. ^ Gao S, Nagpal J, Schneider MW, Kozjak-Pavlovic V, Nagel G, Gottschalk A (September 2015). "Optogenetic manipulation of cGMP in cells and animals by the tightly light-regulated guanylyl-cyclase opsin CyclOp". Nature Communications. 6 (1): 8046. Bibcode:2015NatCo...6.8046G. doi:10.1038/ncomms9046. PMC 4569695. PMID 26345128.
  43. ^ 제9회 Wiley Award of Biomedical Science 수상: Peter Hegemann, Dr. Georg Nagel, Dr. Ernst Bamberg(wiley.com)
  44. ^ "Karl Heinz Beckurts-Preis 2010". Karl Heinz Beckurts Foundation.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  45. ^ "HFSP Nakasone Award 2010". Human Frontier Science Program.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  46. ^ "International Prize for Translational Neuroscience of the Gertrud Reemtsma Foundation (K.J. Zülch Prize until 2019)". Max Planck Society.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  47. ^ "InBev-Baillet Latour International Health Prize" (PDF). Fonds de la Recherche Scientifique - FNRS.
  48. ^ Louis-Jeantet 상
  49. ^ "The Brain Prize 2013". Archived from the original on 4 October 2013. Retrieved 3 October 2013.
  50. ^ Reiner A, Isacoff EY (October 2013). "The Brain Prize 2013: the optogenetics revolution". Trends in Neurosciences. 36 (10): 557–560. doi:10.1016/j.tins.2013.08.005. PMID 24054067. S2CID 205404606.
  51. ^ "Else Kröner Fresenius Prize for Medical Research 2017". Else Kröner-Fresenius Foundation.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  52. ^ "2018 Kyoto Prize Laureate Karl Deisseroth". Kyoto Prize.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  53. ^ "Rumford Prize Awarded for the Invention and Refinement of Optogenetics". American Academy of Arts & Sciences. Retrieved 2019-03-12.
  54. ^ "2020 Heineken Prize Laureate Karl Deisseroth". Heineken Prizes.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  55. ^ "2020 Shaw Prize Laureates Miesenböck, Hegemann and Nagel". Shaw Prize.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  56. ^ a b c Baratta MV, Nakamura S, Dobelis P, Pomrenze MB, Dolzani SD, Cooper DC (2 April 2012). "Optogenetic control of genetically-targeted pyramidal neuron activity in prefrontal cortex" (PDF). Nature Precedings. arXiv:1204.0710. Bibcode:2012arXiv1204.0710B. doi:10.1038/npre.2012.7102.1. S2CID 31641314.
  57. ^ Husson SJ, Liewald JF, Schultheis C, Stirman JN, Lu H, Gottschalk A (2012). Samuel A (ed.). "Microbial light-activatable proton pumps as neuronal inhibitors to functionally dissect neuronal networks in C. elegans". PLOS ONE. 7 (7): e40937. Bibcode:2012PLoSO...740937H. doi:10.1371/journal.pone.0040937. PMC 3397962. PMID 22815873. open access
  58. ^ Liu Y, LeBeouf B, Guo X, Correa PA, Gualberto DG, Lints R, Garcia LR (March 2011). Goodman MB (ed.). "A cholinergic-regulated circuit coordinates the maintenance and bi-stable states of a sensory-motor behavior during Caenorhabditis elegans male copulation". PLOS Genetics. 7 (3): e1001326. doi:10.1371/journal.pgen.1001326. PMC 3053324. PMID 21423722. open access
  59. ^ Deisseroth K. "Optogenetics: Controlling the Brain with Light [Extended Version]". Scientific American. Retrieved 2016-11-28.
  60. ^ Beck S, Yu-Strzelczyk J, Pauls D, Constantin OM, Gee CE, Ehmann N, et al. (2018). "Synthetic Light-Activated Ion Channels for Optogenetic Activation and Inhibition". Frontiers in Neuroscience. 12: 643. doi:10.3389/fnins.2018.00643. PMC 6176052. PMID 30333716.
  61. ^ Sierra YA, Rost B, Oldani S, Schneider-Warme F, Seifert R, Schmitz D, Hegemann P (November 2018). "Potassium channel-based two component optogenetic tool for silencing of excitable cells". Biophysical Journal. 114 (3): 668a. Bibcode:2018BpJ...114..668A. doi:10.1016/j.bpj.2017.11.3607.
  62. ^ Zhao S, Cunha C, Zhang F, Liu Q, Gloss B, Deisseroth K, et al. (August 2008). "Improved expression of halorhodopsin for light-induced silencing of neuronal activity". Brain Cell Biology. 36 (1–4): 141–154. doi:10.1007/s11068-008-9034-7. PMC 3057022. PMID 18931914.
  63. ^ a b Gradinaru V, Thompson KR, Deisseroth K (August 2008). "eNpHR: a Natronomonas halorhodopsin enhanced for optogenetic applications". Brain Cell Biology. 36 (1–4): 129–139. doi:10.1007/s11068-008-9027-6. PMC 2588488. PMID 18677566.
  64. ^ a b c Witten IB, Lin SC, Brodsky M, Prakash R, Diester I, Anikeeva P, et al. (December 2010). "Cholinergic interneurons control local circuit activity and cocaine conditioning". Science. 330 (6011): 1677–1681. Bibcode:2010Sci...330.1677W. doi:10.1126/science.1193771. PMC 3142356. PMID 21164015.
  65. ^ Kim JM, Hwa J, Garriga P, Reeves PJ, RajBhandary UL, Khorana HG (February 2005). "Light-driven activation of beta 2-adrenergic receptor signaling by a chimeric rhodopsin containing the beta 2-adrenergic receptor cytoplasmic loops". Biochemistry. 44 (7): 2284–2292. doi:10.1021/bi048328i. PMID 15709741.
  66. ^ Airan RD, Thompson KR, Fenno LE, Bernstein H, Deisseroth K (April 2009). "Temporally precise in vivo control of intracellular signalling". Nature. 458 (7241): 1025–1029. Bibcode:2009Natur.458.1025A. doi:10.1038/nature07926. PMID 19295515. S2CID 4401796.
  67. ^ Levskaya A, Weiner OD, Lim WA, Voigt CA (October 2009). "Spatiotemporal control of cell signalling using a light-switchable protein interaction". Nature. 461 (7266): 997–1001. Bibcode:2009Natur.461..997L. doi:10.1038/nature08446. PMC 2989900. PMID 19749742.
  68. ^ Wu YI, Frey D, Lungu OI, Jaehrig A, Schlichting I, Kuhlman B, Hahn KM (September 2009). "A genetically encoded photoactivatable Rac controls the motility of living cells". Nature. 461 (7260): 104–108. Bibcode:2009Natur.461..104W. doi:10.1038/nature08241. PMC 2766670. PMID 19693014.
  69. ^ Yazawa M, Sadaghiani AM, Hsueh B, Dolmetsch RE (October 2009). "Induction of protein-protein interactions in live cells using light". Nature Biotechnology. 27 (10): 941–945. doi:10.1038/nbt.1569. PMID 19801976. S2CID 205274357.
  70. ^ Stierl M, Stumpf P, Udwari D, Gueta R, Hagedorn R, Losi A, et al. (January 2011). "Light modulation of cellular cAMP by a small bacterial photoactivated adenylyl cyclase, bPAC, of the soil bacterium Beggiatoa". The Journal of Biological Chemistry. 286 (2): 1181–1188. doi:10.1074/jbc.M110.185496. PMC 3020725. PMID 21030594.
  71. ^ Ryu MH, Moskvin OV, Siltberg-Liberles J, Gomelsky M (December 2010). "Natural and engineered photoactivated nucleotidyl cyclases for optogenetic applications". The Journal of Biological Chemistry. 285 (53): 41501–41508. doi:10.1074/jbc.M110.177600. PMC 3009876. PMID 21030591.
  72. ^ Lerner TN, Ye L, Deisseroth K (March 2016). "Communication in Neural Circuits: Tools, Opportunities, and Challenges". Cell. 164 (6): 1136–1150. doi:10.1016/j.cell.2016.02.027. PMC 5725393. PMID 26967281.
  73. ^ Aravanis AM, Wang LP, Zhang F, Meltzer LA, Mogri MZ, Schneider MB, Deisseroth K (September 2007). "An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology". Journal of Neural Engineering. 4 (3): S143–S156. Bibcode:2007JNEng...4S.143A. doi:10.1088/1741-2560/4/3/S02. PMID 17873414. S2CID 1488394.
  74. ^ Adamantidis AR, Zhang F, Aravanis AM, Deisseroth K, de Lecea L (November 2007). "Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons". Nature. 450 (7168): 420–424. Bibcode:2007Natur.450..420A. doi:10.1038/nature06310. PMC 6744371. PMID 17943086.
  75. ^ a b Gradinaru V, Thompson KR, Zhang F, Mogri M, Kay K, Schneider MB, Deisseroth K (December 2007). "Targeting and readout strategies for fast optical neural control in vitro and in vivo". The Journal of Neuroscience. 27 (52): 14231–14238. doi:10.1523/JNEUROSCI.3578-07.2007. PMC 6673457. PMID 18160630.
  76. ^ Damestani Y, 레이놀즈 CL, Szu J-슈를 MS, Kodera Y, 바인더 DK,(알.(2013년 11월)."nanocrystalline yttria-stabilized-zirconia 두개 관 인공 삽입물 투명한".Nanomedicine.9(8):1135–1138. doi:10.1016/j.nano.2013.08.002.PMID 23969102.S2CID 14212180. • 모한 G(9월 4일 2013년)에 의해 Explained.이것이 뇌에 "한 창문?여기 있어요, UC리버사이드 팀"을 말한다.로스 앤젤레스 타임즈.
  77. ^ a b Legaria AA, Licholai JA, Kravitz AV (January 21, 2021). "Fiber photometry does not reflect spiking activity in the striatum". bioRxiv 10.1101/2021.01.20.427525. doi:10.1101/2021.01.20.427525. S2CID 235967184. {{cite journal}}:Cite저널을 요구한다 journal=(도움말)
  78. ^ Wentz CT, Bernstein JG, Monahan P, Guerra A, Rodriguez A, Boyden ES (August 2011). "A wirelessly powered and controlled device for optical neural control of freely-behaving animals". Journal of Neural Engineering. 8 (4): 046021. Bibcode:2011JNEng...8d6021W. doi:10.1088/1741-2560/8/4/046021. PMC 3151576. PMID 21701058.
  79. ^ a b Matarèse BF, Feyen PL, de Mello JC, Benfenati F (2019). "Sub-millisecond Control of Neuronal Firing by Organic Light-Emitting Diodes". Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7: 278. doi:10.3389/fbioe.2019.00278. PMC 6817475. PMID 31750295.
  80. ^ Pama EA, Colzato LS, Hommel B (2013-01-01). "Optogenetics as a neuromodulation tool in cognitive neuroscience". Frontiers in Psychology. 4: 610. doi:10.3389/fpsyg.2013.00610. PMC 3764402. PMID 24046763.
  81. ^ Vierock, Johannes; Rodriguez-Rozada, Silvia; Dieter, Alexander; Pieper, Florian; Sims, Ruth; Tenedini, Federico; Bergs, Amelie C. F.; Bendifallah, Imane; Zhou, Fangmin; Zeitzschel, Nadja; Ahlbeck, Joachim (2021-07-26). "BiPOLES is an optogenetic tool developed for bidirectional dual-color control of neurons". Nature Communications. 12 (1): 4527. Bibcode:2021NatCo..12.4527V. doi:10.1038/s41467-021-24759-5. ISSN 2041-1723. PMC 8313717. PMID 34312384.
  82. ^ Zhang F, Gradinaru V, Adamantidis AR, Durand R, Airan RD, de Lecea L, Deisseroth K (March 2010). "Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures". Nature Protocols. 5 (3): 439–456. doi:10.1038/nprot.2009.226. PMC 4503465. PMID 20203662.
  83. ^ Zeng H, Madisen L (2012-09-05). "Mouse transgenic approaches in optogenetics". Optogenetics: Tools for Controlling and Monitoring Neuronal Activity. Progress in Brain Research. Vol. 196. pp. 193–213. doi:10.1016/B978-0-444-59426-6.00010-0. ISBN 9780444594266. PMC 3433654. PMID 22341327.
  84. ^ Warden MR, Cardin JA, Deisseroth K (July 2014). "Optical neural interfaces". Annual Review of Biomedical Engineering. 16: 103–129. doi:10.1146/annurev-bioeng-071813-104733. PMC 4163158. PMID 25014785.
  85. ^ Guru A, Post RJ, Ho YY, Warden MR (July 2015). "Making Sense of Optogenetics". The International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (11): pyv079. doi:10.1093/ijnp/pyv079. PMC 4756725. PMID 26209858.
  86. ^ "The Evolution in Freely-Behaving Imaging and Optogenetics Technology". OASIS Implant. Mightex. Retrieved 2021-06-03.
  87. ^ Cui G, Jun SB, Jin X, Luo G, Pham MD, Lovinger DM, et al. (April 2016). "Deep brain optical measurements of cell type-specific neural activity in behaving mice". Nature Protocols. 9 (6): 1213–1228. doi:10.1038/nmeth.3770. PMC 4100551. PMID 24784819.
  88. ^ Cui G, Jun SB, Jin X, Luo G, Pham MD, Lovinger DM, et al. (June 2014). "Deep brain optical measurements of cell type-specific neural activity in behaving mice". Nature Protocols. 9 (6): 1213–1228. doi:10.1038/nprot.2014.080. PMC 4100551. PMID 24784819.
  89. ^ a b c d Zalocusky KA, Fenno LE, Deisseroth K (2013). "Current Challenges in Optogenetics". Society for Neuroscience.
  90. ^ Heitmann S, Rule M, Truccolo W, Ermentrout B (January 2017). "Optogenetic Stimulation Shifts the Excitability of Cerebral Cortex from Type I to Type II: Oscillation Onset and Wave Propagation". PLOS Computational Biology. 13 (1): e1005349. Bibcode:2017PLSCB..13E5349H. doi:10.1371/journal.pcbi.1005349. PMC 5295702. PMID 28118355.
  91. ^ Zhang, Yan-Ping; Oertner, Thomas G (2007). "Optical induction of synaptic plasticity using a light-sensitive channel". Nature Methods. 4 (2): 139–141. doi:10.1038/nmeth988. ISSN 1548-7091. PMID 17195846. S2CID 17721823.
  92. ^ Leergaard TB, Hilgetag CC, Sporns O (2012-05-01). "Mapping the connectome: multi-level analysis of brain connectivity". Frontiers in Neuroinformatics. 6: 14. doi:10.3389/fninf.2012.00014. PMC 3340894. PMID 22557964.
  93. ^ a b Luboeinski J, Tchumatchenko T (September 2020). "Nonlinear response characteristics of neural networks and single neurons undergoing optogenetic excitation". Network Neuroscience. 4 (3): 852–870. doi:10.1162/netn_a_00154. PMC 7888483. PMID 33615093.
  94. ^ "PyRhO: a virtual optogenetics laboratory". GitHub.
  95. ^ "Simulation tool for neural networks and single neurons with light-sensitive channels". GitHub.
  96. ^ Kravitz AV, Freeze BS, Parker PR, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC (July 2010). "Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry". Nature. 466 (7306): 622–626. Bibcode:2010Natur.466..622K. doi:10.1038/nature09159. PMC 3552484. PMID 20613723.
  97. ^ Gradinaru V, Mogri M, Thompson KR, Henderson JM, Deisseroth K (April 2009). "Optical deconstruction of parkinsonian neural circuitry". Science. 324 (5925): 354–359. Bibcode:2009Sci...324..354G. CiteSeerX 10.1.1.368.668. doi:10.1126/science.1167093. PMC 6744370. PMID 19299587.
  98. ^ Cardin JA, Carlén M, Meletis K, Knoblich U, Zhang F, Deisseroth K, et al. (June 2009). "Driving fast-spiking cells induces gamma rhythm and controls sensory responses". Nature. 459 (7247): 663–667. Bibcode:2009Natur.459..663C. doi:10.1038/nature08002. PMC 3655711. PMID 19396156.
  99. ^ Sohal VS, Zhang F, Yizhar O, Deisseroth K (June 2009). "Parvalbumin neurons and gamma rhythms enhance cortical circuit performance". Nature. 459 (7247): 698–702. Bibcode:2009Natur.459..698S. doi:10.1038/nature07991. PMC 3969859. PMID 19396159.
  100. ^ Tsai HC, Zhang F, Adamantidis A, Stuber GD, Bonci A, de Lecea L, Deisseroth K (May 2009). "Phasic firing in dopaminergic neurons is sufficient for behavioral conditioning". Science. 324 (5930): 1080–1084. Bibcode:2009Sci...324.1080T. doi:10.1126/science.1168878. PMC 5262197. PMID 19389999.
  101. ^ Zimmer C (24 May 2021). "Scientists Partially Restored a Blind Man's Sight With New Gene Therapy". The New York Times. Retrieved 25 May 2021.
  102. ^ Haubensak W, Kunwar PS, Cai H, Ciocchi S, Wall NR, Ponnusamy R, et al. (November 2010). "Genetic dissection of an amygdala microcircuit that gates conditioned fear". Nature. 468 (7321): 270–276. Bibcode:2010Natur.468..270H. doi:10.1038/nature09553. PMC 3597095. PMID 21068836.
  103. ^ Johansen JP, Hamanaka H, Monfils MH, Behnia R, Deisseroth K, Blair HT, LeDoux JE (July 2010). "Optical activation of lateral amygdala pyramidal cells instructs associative fear learning". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (28): 12692–12697. Bibcode:2010PNAS..10712692J. doi:10.1073/pnas.1002418107. PMC 2906568. PMID 20615999.
  104. ^ Jasnow AM, Ehrlich DE, Choi DC, Dabrowska J, Bowers ME, McCullough KM, et al. (June 2013). "Thy1-expressing neurons in the basolateral amygdala may mediate fear inhibition". The Journal of Neuroscience. 33 (25): 10396–10404. doi:10.1523/JNEUROSCI.5539-12.2013. PMC 3685835. PMID 23785152.
  105. ^ Dias BG, Banerjee SB, Goodman JV, Ressler KJ (June 2013). "Towards new approaches to disorders of fear and anxiety". Current Opinion in Neurobiology. 23 (3): 346–352. doi:10.1016/j.conb.2013.01.013. PMC 3672317. PMID 23402950.
  106. ^ Karalis N, Dejean C, Chaudun F, Khoder S, Rozeske RR, Wurtz H, et al. (April 2016). "4-Hz oscillations synchronize prefrontal-amygdala circuits during fear behavior". Nature Neuroscience. 19 (4): 605–612. doi:10.1038/nn.4251. PMC 4843971. PMID 26878674.
  107. ^ Shusterman R, Smear MC, Koulakov AA, Rinberg D (July 2011). "Precise olfactory responses tile the sniff cycle". Nature Neuroscience. 14 (8): 1039–1044. doi:10.1038/nn.2877. PMID 21765422. S2CID 5194595.
  108. ^ Smith RS, Hu R, DeSouza A, Eberly CL, Krahe K, Chan W, Araneda RC (July 2015). "Differential Muscarinic Modulation in the Olfactory Bulb". The Journal of Neuroscience. 35 (30): 10773–10785. doi:10.1523/JNEUROSCI.0099-15.2015. PMC 4518052. PMID 26224860.
  109. ^ Patterson MA, Lagier S, Carleton A (August 2013). "Odor representations in the olfactory bulb evolve after the first breath and persist as an odor afterimage". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (35): E3340–E3349. Bibcode:2013PNAS..110E3340P. doi:10.1073/pnas.1303873110. PMC 3761593. PMID 23918364.
  110. ^ Tecuapetla F, Patel JC, Xenias H, English D, Tadros I, Shah F, et al. (May 2010). "Glutamatergic signaling by mesolimbic dopamine neurons in the nucleus accumbens". The Journal of Neuroscience. 30 (20): 7105–7110. doi:10.1523/JNEUROSCI.0265-10.2010. PMC 3842465. PMID 20484653.
  111. ^ Cela E, McFarlan AR, Chung AJ, Wang T, Chierzi S, Murai KK, Sjöström PJ (March 2019). "An Optogenetic Kindling Model of Neocortical Epilepsy". Scientific Reports. 9 (1): 5236. Bibcode:2019NatSR...9.5236C. doi:10.1038/s41598-019-41533-2. PMC 6437216. PMID 30918286.
  112. ^ a b Ryu B, Nagappan S, Santos-Valencia F, Lee P, Rodriguez E, Lackie M, et al. (April 2021). "Chronic loss of inhibition in piriform cortex following brief, daily optogenetic stimulation". Cell Reports. 35 (3): 109001. doi:10.1016/j.celrep.2021.109001. PMC 8102022. PMID 33882304.
  113. ^ Bingen BO, Engels MC, Schalij MJ, Jangsangthong W, Neshati Z, Feola I, et al. (October 2014). "Light-induced termination of spiral wave arrhythmias by optogenetic engineering of atrial cardiomyocytes". Cardiovascular Research. 104 (1): 194–205. doi:10.1093/cvr/cvu179. PMID 25082848.
  114. ^ Nussinovitch U, Gepstein L (July 2015). "Optogenetics for in vivo cardiac pacing and resynchronization therapies". Nature Biotechnology. 33 (7): 750–754. doi:10.1038/nbt.3268. PMID 26098449. S2CID 1794556.
  115. ^ Nyns EC, Kip A, Bart CI, Plomp JJ, Zeppenfeld K, Schalij MJ, et al. (July 2017). "Optogenetic termination of ventricular arrhythmias in the whole heart: towards biological cardiac rhythm management". European Heart Journal. 38 (27): 2132–2136. doi:10.1093/eurheartj/ehw574. PMC 5837774. PMID 28011703.
  116. ^ Bruegmann T, Boyle PM, Vogt CC, Karathanos TV, Arevalo HJ, Fleischmann BK, et al. (October 2016). "Optogenetic defibrillation terminates ventricular arrhythmia in mouse hearts and human simulations". The Journal of Clinical Investigation. 126 (10): 3894–3904. doi:10.1172/JCI88950. PMC 5096832. PMID 27617859.
  117. ^ Crocini C, Ferrantini C, Coppini R, Scardigli M, Yan P, Loew LM, et al. (October 2016). "Optogenetics design of mechanistically-based stimulation patterns for cardiac defibrillation". Scientific Reports. 6: 35628. Bibcode:2016NatSR...635628C. doi:10.1038/srep35628. PMC 5066272. PMID 27748433.
  118. ^ Hernandez VH, Gehrt A, Reuter K, Jing Z, Jeschke M, Mendoza Schulz A, et al. (March 2014). "Optogenetic stimulation of the auditory pathway". The Journal of Clinical Investigation. 124 (3): 1114–1129. doi:10.1172/JCI69050. PMC 3934189. PMID 24509078.
  119. ^ Keppeler D, Merino RM, Lopez de la Morena D, Bali B, Huet AT, Gehrt A, et al. (December 2018). "Ultrafast optogenetic stimulation of the auditory pathway by targeting-optimized Chronos". The EMBO Journal. 37 (24): e99649. doi:10.15252/embj.201899649. PMC 6293277. PMID 30396994.
  120. ^ Mager T, Lopez de la Morena D, Senn V, Schlotte J, D Errico A, Feldbauer K, et al. (May 2018). "High frequency neural spiking and auditory signaling by ultrafast red-shifted optogenetics". Nature Communications. 9 (1): 1750. Bibcode:2018NatCo...9.1750M. doi:10.1038/s41467-018-04146-3. PMC 5931537. PMID 29717130.
  121. ^ "Engineering long-wavelength light-driven ion channels to hear the light. Atlas of Science". Retrieved 7 November 2019.
  122. ^ Moser T (October 2015). "Optogenetic stimulation of the auditory pathway for research and future prosthetics". Current Opinion in Neurobiology. 34: 29–36. doi:10.1016/j.conb.2015.01.004. PMID 25637880. S2CID 35199775.
  123. ^ Lin JY, Knutsen PM, Muller A, Kleinfeld D, Tsien RY (October 2013). "ReaChR: a red-shifted variant of channelrhodopsin enables deep transcranial optogenetic excitation". Nature Neuroscience. 16 (10): 1499–1508. doi:10.1038/nn.3502. PMC 3793847. PMID 23995068.
  124. ^ Matthews GA, Nieh EH, Vander Weele CM, Halbert SA, Pradhan RV, Yosafat AS, et al. (February 2016). "Dorsal Raphe Dopamine Neurons Represent the Experience of Social Isolation". Cell. 164 (4): 617–631. doi:10.1016/j.cell.2015.12.040. PMC 4752823. PMID 26871628.
  125. ^ Klapoetke NC, Murata Y, Kim SS, Pulver SR, Birdsey-Benson A, Cho YK, et al. (March 2014). "Independent optical excitation of distinct neural populations". Nature Methods. 11 (3): 338–346. doi:10.1038/nmeth.2836. PMC 3943671. PMID 24509633.
  126. ^ Berndt A, Yizhar O, Gunaydin LA, Hegemann P, Deisseroth K (February 2009). "Bi-stable neural state switches". Nature Neuroscience. 12 (2): 229–234. doi:10.1038/nn.2247. PMID 19079251. S2CID 15125498.
  127. ^ Govorunova EG, Sineshchekov OA, Janz R, Liu X, Spudich JL (August 2015). "NEUROSCIENCE. Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics". Science. 349 (6248): 647–650. doi:10.1126/science.aaa7484. PMC 4764398. PMID 26113638.
  128. ^ Mauss AS, Busch C, Borst A (October 2017). "Optogenetic Neuronal Silencing in Drosophila during Visual Processing". Scientific Reports. 7 (1): 13823. Bibcode:2017NatSR...713823M. doi:10.1038/s41598-017-14076-7. PMC 5653863. PMID 29061981.
  129. ^ Portugues, Ruben; Severi, Kristen E; Wyart, Claire; Ahrens, Misha B (2013-02-01). "Optogenetics in a transparent animal: circuit function in the larval zebrafish". Current Opinion in Neurobiology. Neurogenetics. 23 (1): 119–126. doi:10.1016/j.conb.2012.11.001. ISSN 0959-4388. PMID 23246238. S2CID 19906279.
  130. ^ Cande, Jessica; Namiki, Shigehiro; Qiu, Jirui; Korff, Wyatt; Card, Gwyneth M; Shaevitz, Joshua W; Stern, David L; Berman, Gordon J (2018-06-26). Scott, Kristin (ed.). "Optogenetic dissection of descending behavioral control in Drosophila". eLife. 7: e34275. doi:10.7554/eLife.34275. ISSN 2050-084X. PMC 6031430. PMID 29943729.
  131. ^ DeAngelis, Brian D; Zavatone-Veth, Jacob A; Gonzalez-Suarez, Aneysis D; Clark, Damon A (2020-04-22). Calabrese, Ronald L (ed.). "Spatiotemporally precise optogenetic activation of sensory neurons in freely walking Drosophila". eLife. 9: e54183. doi:10.7554/eLife.54183. ISSN 2050-084X. PMC 7198233. PMID 32319425.
  132. ^ Bidaye, Salil S.; Laturney, Meghan; Chang, Amy K.; Liu, Yuejiang; Bockemühl, Till; Büschges, Ansgar; Scott, Kristin (2020-11-11). "Two Brain Pathways Initiate Distinct Forward Walking Programs in Drosophila". Neuron. 108 (3): 469–485.e8. doi:10.1016/j.neuron.2020.07.032. ISSN 0896-6273. PMID 32822613. S2CID 221198570.
  133. ^ Heiney, Shane A.; Kim, Jinsook; Augustine, George J.; Medina, Javier F. (2014-02-05). "Precise Control of Movement Kinematics by Optogenetic Inhibition of Purkinje Cell Activity". Journal of Neuroscience. 34 (6): 2321–2330. doi:10.1523/JNEUROSCI.4547-13.2014. ISSN 0270-6474. PMC 3913874. PMID 24501371.
  134. ^ Solari N, Sviatkó K, Laszlovszky T, Hegedüs P, Hangya B (May 2018). "Open Source Tools for Temporally Controlled Rodent Behavior Suitable for Electrophysiology and Optogenetic Manipulations". Frontiers in Systems Neuroscience. 12: 18. doi:10.3389/fnsys.2018.00018. PMC 5962774. PMID 29867383.
  135. ^ Lin JY (January 2011). "A user's guide to channelrhodopsin variants: features, limitations and future developments". Experimental Physiology. 96 (1): 19–25. doi:10.1113/expphysiol.2009.051961. PMC 2995811. PMID 20621963.
  136. ^ Grosenick, Logan; Marshel, James H.; Deisseroth, Karl (2015-04-08). "Closed-Loop and Activity-Guided Optogenetic Control". Neuron. 86 (1): 106–139. doi:10.1016/j.neuron.2015.03.034. ISSN 0896-6273. PMC 4775736. PMID 25856490.
  137. ^ Armstrong, Caren; Krook-Magnuson, Esther; Oijala, Mikko; Soltesz, Ivan (2013). "Closed-loop optogenetic intervention in mice". Nature Protocols. 8 (8): 1475–1493. doi:10.1038/nprot.2013.080. ISSN 1750-2799. PMC 3988315. PMID 23845961.
  138. ^ Kovács KA, O'Neill J, Schoenenberger P, Penttonen M, Ranguel Guerrero DK, Csicsvari J (19 Nov 2016). "Optogenetically Blocking Sharp Wave Ripple Events in Sleep Does Not Interfere with the Formation of Stable Spatial Representation in the CA1 Area of the Hippocampus". PLOS ONE. 11 (10): e0164675. Bibcode:2016PLoSO..1164675K. doi:10.1371/journal.pone.0164675. PMC 5070819. PMID 27760158.
  139. ^ a b Valon L, Marín-Llauradó A, Wyatt T, Charras G, Trepat X (February 2017). "Optogenetic control of cellular forces and mechanotransduction". Nature Communications. 8: 14396. Bibcode:2017NatCo...814396V. doi:10.1038/ncomms14396. PMC 5309899. PMID 28186127.
  140. ^ a b c d e Khamo JS, Krishnamurthy VV, Sharum SR, Mondal P, Zhang K (October 2017). "Applications of Optobiology in Intact Cells and Multicellular Organisms". Journal of Molecular Biology. 429 (20): 2999–3017. doi:10.1016/j.jmb.2017.08.015. PMID 28882542.
  141. ^ Fenno L, Yizhar O, Deisseroth K (2011). "The development and application of optogenetics". Annual Review of Neuroscience. 34: 389–412. doi:10.1146/annurev-neuro-061010-113817. PMC 6699620. PMID 21692661.
  142. ^ "Method of the Year 2010: Optogenetics". Nature Video. 17 December 2010.
  143. ^ "optogenetics - Search Results". PubMed. Retrieved 2020-02-29.
  144. ^ Wittmann T, Dema A, van Haren J (October 2020). "Lights, cytoskeleton, action: Optogenetic control of cell dynamics". Current Opinion in Cell Biology. Elsevier Ltd. 66: 1–10. doi:10.1016/j.ceb.2020.03.003. PMC 7577957. PMID 32371345.
  145. ^ Konermann S, Brigham MD, Trevino A, Hsu PD, Heidenreich M, Cong L, et al. (August 2013). "Optical control of mammalian endogenous transcription and epigenetic states". Nature. 500 (7463): 472–476. Bibcode:2013Natur.500..472K. doi:10.1038/nature12466. PMC 3856241. PMID 23877069.
  146. ^ Leung DW, Otomo C, Chory J, Rosen MK (September 2008). "Genetically encoded photoswitching of actin assembly through the Cdc42-WASP-Arp2/3 complex pathway". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (35): 12797–12802. Bibcode:2008PNAS..10512797L. doi:10.1073/pnas.0801232105. PMC 2525560. PMID 18728185.
  147. ^ Toettcher JE, Gong D, Lim WA, Weiner OD (September 2011). "Light-based feedback for controlling intracellular signaling dynamics". Nature Methods. 8 (10): 837–839. doi:10.1038/nmeth.1700. PMC 3184382. PMID 21909100.
  148. ^ Strickland D, Lin Y, Wagner E, Hope CM, Zayner J, Antoniou C, et al. (March 2012). "TULIPs: tunable, light-controlled interacting protein tags for cell biology". Nature Methods. 9 (4): 379–384. doi:10.1038/nmeth.1904. PMC 3444151. PMID 22388287.
  149. ^ Idevall-Hagren O, Dickson EJ, Hille B, Toomre DK, De Camilli P (August 2012). "Optogenetic control of phosphoinositide metabolism". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (35): E2316–E2323. Bibcode:2012PNAS..109E2316I. doi:10.1073/pnas.1211305109. PMC 3435206. PMID 22847441.
  150. ^ Bugaj LJ, Choksi AT, Mesuda CK, Kane RS, Schaffer DV (March 2013). "Optogenetic protein clustering and signaling activation in mammalian cells". Nature Methods. 10 (3): 249–252. doi:10.1038/nmeth.2360. PMID 23377377. S2CID 8737019.
  151. ^ Lungu OI, Hallett RA, Choi EJ, Aiken MJ, Hahn KM, Kuhlman B (April 2012). "Designing photoswitchable peptides using the AsLOV2 domain". Chemistry & Biology. 19 (4): 507–517. doi:10.1016/j.chembiol.2012.02.006. PMC 3334866. PMID 22520757.
  152. ^ Wu YI, Frey D, Lungu OI, Jaehrig A, Schlichting I, Kuhlman B, Hahn KM (September 2009). "A genetically encoded photoactivatable Rac controls the motility of living cells". Nature. 461 (7260): 104–108. Bibcode:2009Natur.461..104W. doi:10.1038/nature08241. PMC 2766670. PMID 19693014.
  153. ^ Smart AD, Pache RA, Thomsen ND, Kortemme T, Davis GW, Wells JA (September 2017). "Engineering a light-activated caspase-3 for precise ablation of neurons in vivo". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (39): E8174–E8183. doi:10.1073/pnas.1705064114. PMC 5625904. PMID 28893998.
  154. ^ Dagliyan O, Tarnawski M, Chu PH, Shirvanyants D, Schlichting I, Dokholyan NV, Hahn KM (December 2016). "Engineering extrinsic disorder to control protein activity in living cells". Science. 354 (6318): 1441–1444. Bibcode:2016Sci...354.1441D. doi:10.1126/science.aah3404. PMC 5362825. PMID 27980211.
  155. ^ Guntas G, Hallett RA, Zimmerman SP, Williams T, Yumerefendi H, Bear JE, Kuhlman B (January 2015). "Engineering an improved light-induced dimer (iLID) for controlling the localization and activity of signaling proteins". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (1): 112–117. Bibcode:2015PNAS..112..112G. doi:10.1073/pnas.1417910112. PMC 4291625. PMID 25535392.
  156. ^ Wang H, Vilela M, Winkler A, Tarnawski M, Schlichting I, Yumerefendi H, et al. (September 2016). "LOVTRAP: an optogenetic system for photoinduced protein dissociation". Nature Methods. 13 (9): 755–758. doi:10.1038/nmeth.3926. PMC 5137947. PMID 27427858.
  157. ^ van Haren J, Charafeddine RA, Ettinger A, Wang H, Hahn KM, Wittmann T (March 2018). "Local control of intracellular microtubule dynamics by EB1 photodissociation". Nature Cell Biology. Nature Research. 20 (3): 252–261. doi:10.1038/s41556-017-0028-5. PMC 5826794. PMID 29379139.
  158. ^ a b Zhou XX, Chung HK, Lam AJ, Lin MZ (November 2012). "Optical control of protein activity by fluorescent protein domains". Science. 338 (6108): 810–814. Bibcode:2012Sci...338..810Z. doi:10.1126/science.1226854. PMC 3702057. PMID 23139335.
  159. ^ Tischer D, Weiner OD (August 2014). "Illuminating cell signalling with optogenetic tools". Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 15 (8): 551–558. doi:10.1038/nrm3837. PMC 4145075. PMID 25027655.
  160. ^ Purvis JE, Lahav G (February 2013). "Encoding and decoding cellular information through signaling dynamics". Cell. 152 (5): 945–956. doi:10.1016/j.cell.2013.02.005. PMC 3707615. PMID 23452846.
  161. ^ Santos SD, Verveer PJ, Bastiaens PI (March 2007). "Growth factor-induced MAPK network topology shapes Erk response determining PC-12 cell fate". Nature Cell Biology. 9 (3): 324–330. doi:10.1038/ncb1543. PMID 17310240. S2CID 31709706.
  162. ^ Toettcher JE, Weiner OD, Lim WA (December 2013). "Using optogenetics to interrogate the dynamic control of signal transmission by the Ras/Erk module". Cell. 155 (6): 1422–1434. doi:10.1016/j.cell.2013.11.004. PMC 3925772. PMID 24315106.
  163. ^ Huidobro N, Mendez-Fernandez A, Mendez-Balbuena I, Gutierrez R, Kristeva R, Manjarrez E (2017). "Brownian Optogenetic-Noise-Photostimulation on the Brain Amplifies Somatosensory-Evoked Field Potentials". Frontiers in Neuroscience. 11: 464. doi:10.3389/fnins.2017.00464. PMC 5583167. PMID 28912671.
  164. ^ Huidobro N, De la Torre-Valdovinos B, Mendez A, Treviño M, Arias-Carrion O, Chavez F, et al. (January 2018). "Optogenetic noise-photostimulation on the brain increases somatosensory spike firing responses". Neuroscience Letters. 664: 51–57. doi:10.1016/j.neulet.2017.11.004. PMID 29128628. S2CID 3370851.
  165. ^ Mabil P, Huidobro N, Torres-Ramirez O, Flores-Hernandez J, Flores A, Gutierrez R, Manjarrez E (2020). "Noisy Light Augments the Na+ Current in Somatosensory Pyramidal Neurons of Optogenetic Transgenic Mice". Frontiers in Neuroscience. 14: 490. doi:10.3389/fnins.2020.00490. PMC 7263390. PMID 32528244.

추가 정보

외부 링크