معلومة

ما هو السلوك الأكثر تحديدًا الذي يمكننا التحكم فيه أو حثه باستخدام علم البصريات الوراثي؟

ما هو السلوك الأكثر تحديدًا الذي يمكننا التحكم فيه أو حثه باستخدام علم البصريات الوراثي؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يستخدم علم البصريات الوراثي على نطاق واسع في علم الأعصاب لدراسة كيفية التحكم في السلوك من قبل مجموعات من الخلايا العصبية. على سبيل المثال ، في ورقة Nature لعام 2011 التي تم الاستشهاد بها بشدة ، Lin et al. تظهر أنها يمكن أن تحفز السلوك العدواني في الفئران عن طريق تحفيز الخلايا العصبية في منطقة ما تحت المهاد. ومع ذلك ، يبدو أن هناك العديد من الأسباب المختلفة التي تجعل الفأر يتحول إلى عنف. قد يكون في حالة ألم ، أو ربما يدافع عن نسله ، أو قد يكون يتنافس مع فئران أخرى من أجل شيء ما ، أو قد يكون مجرد تلف في الدماغ وغير قادر على التحكم في سلوكه (ونحن نعلم أن علم البصريات الوراثي في ​​غياب التحفيز يحفز نشاط شاذ في دماغ الفأر ويؤدي أحيانًا إلى نوبات: نشاط قشري شاذ في خطوط ماوس معدلة وراثيًا متعددة GCaMP6) ...

لذا فإن سؤالي هو: ما هي السلوكيات الأكثر تحديدًا ودقة التي يمكننا التحكم فيها والحث عليها باستخدام علم البصريات الوراثي اليوم؟


الانوار مضاءة

قبل سنوات عديدة من بدء Deisseroth في العبث بعلم البصريات الوراثي ، جادل فرانسيس كريك - الحائز على جائزة نوبل والذي شارك في تحديد بنية الحمض النووي - بأن علم الأعصاب يحتاج إلى أداة للتحكم في نوع واحد من الخلايا في الدماغ مع ترك الأنواع الأخرى دون تغيير. وقال إن مثل هذه الأداة ستمنح علماء الأعصاب طريقة لتشغيل وإيقاف مجموعات معينة من الخلايا العصبية لمعرفة المزيد حول كيفية عمل الدماغ.

بعد عقود ، كان العلماء في جميع أنحاء العالم لا يزالون يناقشون الطرق الممكنة لتنفيذ تلك الرؤية ، بما في ذلك بعض الأساليب التي تستخدم الضوء. قرر Deisseroth بناء نهج معمله حول بروتينات تسمى opsins الميكروبية الموجودة في الكائنات وحيدة الخلية. بدأ مع opsin من الطحالب الخضراء (المعروفة أيضًا باسم حثالة البركة) تسمى channelrhodopsin ، التي اكتشفها العالم الألماني Peter Hegemann.

يستجيب هذا البروتين للضوء بطريقة مرتبطة بكيفية إطلاق الخلايا العصبية - فهو يشكل قناة على سطح الخلية تفتح وتسمح للأيونات بالدخول إلى الخلية. في العصب ، تفتح تلك القناة عندما تتلقى إشارة لاطلاق النار. في الطحالب ، يفتح استجابة للضوء. إذا أمكن جعل تشانيلرودوبسين يفعل الشيء نفسه في خلية عصبية لحيوان حي ، فقد يوفر طريقة للتحكم في نشاط تلك العصبون باستخدام الضوء - ربما حتى أثناء سلوك الحيوانات.

بدا هذا المفهوم ممكنًا من الناحية النظرية ولكنه محفوف بالمخاطر ، وبالفعل استغرق تشغيله في الحيوانات الحية سنوات عديدة. إن توصيل العدد الكبير المطلوب من الأوبسين إلى مجموعات محددة من الخلايا داخل الدماغ ، واستهداف الضوء في عمق الدماغ ، شكّل كلاهما تحديات ، ولم يتم إنتاج العديد من الأوبسين بشكل جيد أو تحمله في البداية من قبل الخلايا العصبية.

عندما سقطت جميع القطع الرئيسية في مكانها أخيرًا ، تمكنوا من استخدام الألياف الضوئية لإلقاء ضوء صغير على مجموعة من الخلايا العصبية التي تؤوي الأوبسين في الحيوانات الحية وتسبب في إطلاق تلك المجموعة الفرعية المحددة من الخلايا العصبية أو إسكاتها بطرق تتحكم فيها السلوكيات الطبيعية أو المرتبطة بالمرض.

& quotKarl لديه البصيرة لإدراك مدى أهمية هذا الأمر ، & quot يقول مالينكا ، وهو أيضًا أستاذ نانسي فريند بريتزكر. كانت الفكرة مطروحة لكنه أدرك أهمية اكتشاف قناة رودوبسين وجعلها تعمل. & quot


التلاعب بالذاكرة من خلال علم البصريات الوراثي: محادثة مع علماء الأعصاب شو ليو وستيف راميريز

على مدى السنوات القليلة الماضية ، قام عالما الأعصاب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Xu Liu و Steve Ramirez بإحضار أفكار قد تبدو ممكنة فقط في الخيال العلمي إلى الواقع. في مختبرهم ، تمكن كل من Liu و Ramirez من خلق ذكريات اصطناعية في الفئران. يوضح عملهم القدرة المتزايدة لعلماء الأعصاب على التحكم والتلاعب بهندسة التعلم والذاكرة في الدماغ. في حديثهم في TEDx Boston ، أوضح راميريز أن "العقل ، بخصائصه التي تبدو غامضة ، هو في الواقع مصنوع من أشياء مادية يمكننا العبث بها."

الأداة التي تسمح لـ Liu و Ramirez بإصلاح الدماغ واستكشافه ومعالجته هي علم البصريات الوراثي # 8212 وهي العملية التي يقوم من خلالها الباحثون بإدخال الحمض النووي لبروتين حساس للضوء في خلايا عصبية معينة ، مما يسمح لهم بتشغيل وإيقاف تلك الخلايا العصبية المعينة باستخدام ومضات. من الضوء. (للحصول على مقدمة موجزة حول كيفية عمل علم البصريات الوراثي ، راجع هذا الفيديو من معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا).

إعداد Optogenetic في الفئران يوضح كيفية استخدام الضوء لتنشيط وتعطيل خلايا عصبية معينة (WikiCommons)

أظهر علم البصريات الوراثي ، الذي تم تطويره خلال العقد الماضي ، إمكانات هائلة لمساعدة الباحثين على فهم وظائف المخ وعلاج اضطرابات الدماغ ، لأنه على عكس التحفيز الكهربائي أو الأساليب الدوائية ، فإنه يسمح بتنشيط الخلايا العصبية وتعطيلها بدقة. هذه الدقة هي التي سمحت لليو وراميريز بتنفيذ تجاربهم الرائدة. بالإضافة إلى التعلم والذاكرة ، تم استخدام علم البصريات الوراثي لدراسة الألم والإدمان والنوم والسلوك الاجتماعي ، وتم تسليط الضوء عليه باعتباره تقنية ضرورية لنجاح مبادرة BRAIN الجديدة للبيت الأبيض.

لقد جلسنا مؤخرًا مع Liu و Ramirez في مختبر Tonegawa في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لمعرفة المزيد حول كيفية تمكنهم من إنشاء ذكريات خاطئة في الفئران ، وكذلك مناقشة ما قد يحمله المستقبل لأبحاث علم البصريات الوراثي.

آن ويست: هل يمكنك وصف المنطق وراء كيف تمكنت من إنشاء ذكريات خوف زائفة في الفئران؟

شو ليو: الذاكرة ليست شيئًا صلبًا لا يتغير. في الواقع ، عندما تتذكر شيئًا ما ، تقوم بإجراء بعض التغييرات على تلك الذاكرة ، والتي يتم تخزينها مرة أخرى في عقلك. لهذا السبب تتطور الذاكرة بمرور الوقت. في هذه الحالة ، استحدثنا أنا وستيف [راميريز] ذاكرة استدعاء ، لكننا في نفس الوقت زودنا الحيوان بمعلومات جديدة. يتم دمج هذه المعلومات الجديدة في هذه الذاكرة المعاد تنشيطها وعندما يتم تخزينها مرة أخرى ، فإنها تغير الذاكرة. هذه هي الطريقة التي زرعنا بها ما يسمى بالذاكرة "المصطنعة" أو "الزائفة". إنها تستند إلى ظاهرة طبيعية تحدث لجميع أنواع الذكريات.

ألان وودز: كيف تمكنت من زرع ذاكرة خوف زائفة في فأر؟

XL: يمكننا إيجاد طرق لتسمية الخلايا النشطة في تكوين ذاكرة واحدة ثم استخدام تقنية تسمى علم البصريات الوراثي لتنشيط نفس عدد الخلايا في الدماغ. عند القيام بذلك ، يمكننا أن نتذكر ذكرى. في دراسة عام 2012 ، قمنا بتنشيط استدعاء ذاكرة محايدة حول سياق واحد أو بيئة معينة - صندوق - ثم في نفس الوقت ، عندما نستخدم الضوء لإعادة تنشيط تلك الذاكرة ، فإننا نقدم أيضًا صدمة. كل هذا يحدث في بيئة مختلفة تمامًا مقارنة بالبيئة الأولى. نريد ربط الذاكرة المعاد تنشيطها للمربع 1 بشكل مصطنع بالصدمة الحقيقية في المربع 2. في الواقع ، أصيب الحيوان بالصدمة في المربع 2. ولكن من خلال هذه التجربة ، تم جعل الحيوان يعتقد أنه صُدم في المربع 1. لاحقًا ، عندما تعيد الحيوان إلى المربع 1 ، يبدأ في إظهار سلوكيات التجميد ، ويعرض السلوك الذي يشير إلى أن لديه ذاكرة خوف لأنه يربط المربع 1 بالصدمة (انظر الصورة أدناه).

الصورة: Evan Wondolowski من Collective Next

ألان وودز: عندما صممت هذه التجربة خلقت ذكرى خوف زائفة ، ما هي الأسئلة الأوسع حول التعلم والذاكرة التي كنت تبحث عن إجابتها؟

XL: السبب الكامل وراء هذا [يعمل] يستند إلى خاصية الذاكرة التي يمكنك تكوين ذاكرة خاطئة أثناء تقديم معلومات جديدة.

ريال سعودى: هذا بالضبط جوابي. في هذه الحالة ، يخبرنا شيئين. نعلم بالفعل من الدراسات البشرية والحيوانية أن الذاكرة ليست جهاز تسجيل من الماضي. إنها في الواقع عملية إعادة بناء تبدأ من إعادة لصق أجزاء من الماضي في تلك الذاكرة ، حتى لا تكون تمثيلًا دقيقًا وصحيحًا تمامًا للماضي. المصطلح الذي يستخدمه الكثير من علماء الأعصاب السلوكيين هو أن الذاكرة "قابلة للتغير" - فهي عرضة للتعديل. لكن هل يمكننا أن نجعل ذاكرة الذاكرة قابلة للتلف بشكل مصطنع وإدخال معلومات جديدة في شكل صدمات القدم إليها؟ يمكن أن يخبرنا ذلك كثيرًا عما يفعله الحُصين - إذا كان الحُصين متورطًا في إعادة هذه الذكريات إلى الحياة ، وإعادتها إلى حالتها المتغيرة ، فإن الإدخال المتزامن للمعلومات الجديدة يمكن أن يجلب معلومات جديدة إلى تلك الذاكرة.

أيمي: لماذا اخترت استخدام علم البصريات الوراثي لاختبار التعلم والذاكرة؟

ستيف راميريز: تمنح Optogenetics تحكمًا غير مسبوق في مجموعات معينة من الخلايا. لا توجد أداة قبل علم البصريات الوراثي يمكن أن تعمل وفقًا للمليلي ثانية الجدول الزمني الذي يستخدمه عقلك ، باستثناء الكهرباء ربما ، ولكن المشكلة هي أنه إذا كنت تريد استهداف مجموعة معينة من الخلايا داخل الحُصين التي تدعم ذاكرة معينة ، وتستهدف الكهرباء لتلك الخلايا فقط يكاد يكون من المستحيل ، لأن الكهرباء هي الشيء الرئيسي الذي يستخدمه الدماغ للتواصل بالفعل. إذا ذهبت إلى هناك وأزلت جزءًا من الدماغ بشكل عشوائي ، فسوف تنطلق أكثر بكثير من مجرد تلك الذاكرة. الجزء الرائع في علم البصريات الوراثي هو أن خلايا الدماغ لا تستجيب عادةً للضوء ، لذلك في هذه الحالة ، الخلايا الوحيدة التي تستجيب للضوء هي تلك التي تخدعها للاستجابة للضوء. في [هذه] الحالة ، يمكنك في الواقع إطلاق الضوء على الدماغ ، وترك الخلايا المجاورة سليمة ، والوحيدة التي ستستجيب هي تلك التي اخترتها بالفعل. لذا فأنت تقوم بفحص الدماغ على النطاق الزمني الذي يتواصل فيه ، وهو "الآس في الفتحة" الذي يجعل علم البصريات الوراثي الشيء المدهش.

أيمي: ما هي الآثار المترتبة على عملك باستخدام علم البصريات الوراثي في ​​دماغ الفأر على الدماغ البشري وفهمنا للتعلم والذاكرة؟

ريال سعودى: الشيء المهم هنا هو أننا كنا قادرين على إثبات أن لدينا تحكمًا ضوئيًا سريعًا على مجموعة محددة من الخلايا والتي تمنحنا التحكم في ذاكرة معينة. حقيقة أنه يمكننا القيام بذلك هي شهادة على قوة العلم. تداعيات ذلك على البشر هي أن [هذه] فكرة واحدة قوية. لقد حددنا الآن التحكم في مجموعة محددة من الخلايا التي تؤدي إلى استدعاء ذاكرة معينة. الشيء الوحيد الذي يمنع المجال من إجراء [تجارب مماثلة] في الرئيسيات غير البشرية أو في البشر هو التكيف التكنولوجي.

تمكنا من إثبات أن لدينا تحكمًا ضوئيًا سريعًا على مجموعة محددة من الخلايا والتي تمنحنا التحكم في ذاكرة معينة.

السؤال الآن ليس "هل يمكننا إعادة تنشيط الذاكرة؟" لأن هذا الجواب هو "نعم". السؤال الآن هو "كيف يمكننا توسيع نطاق ذلك؟ كيف يمكننا فعل ذلك في الرئيسيات غير البشرية؟ وبطريقة تراعي الأخلاق؟ " لكنها لم تعد مسألة "إذا" - إنها مسألة "كيف نفعل ذلك" الآن لأننا نعلم أننا نستطيع - على الأقل في الفئران.

ألان وودز: هل تتخيل أن علم البصريات الوراثي يتم استخدامه في البشر ، على سبيل المثال ، 10 سنوات؟

ريال سعودى: يتم استخدامه بالفعل في الرئيسيات غير البشرية. أرى أنه يتم استخدامه إذا تم طرح السؤال الصحيح - فلنقل نوبات الصرع ، على سبيل المثال. نحن نعلم أنه في بعض الأحيان ، يكون لبعض أنواع النوبات نقطة محورية أصلية في الدماغ. ستبدأ كرة صغيرة من خلايا الدماغ في إطلاق النار بشكل متقطع وخارج نطاق السيطرة. إنه نوع من الدومينو ويسيطر على الدماغ بأكمله وتحدث نوبة. الآن ، ماذا لو استطعت توجيه الضوء إلى التصحيح الإشكالي؟ تاريخيًا ، كان عليك أن تدخل وتخرج منه وتتخلص من هذا النسيج العصبي. ماذا لو تمكنت من جعل تلك الرقعة الصغيرة ذات المشاكل حساسة للضوء ولديك نوع من باعث الضوء الذي يمكن أن يصل إلى تلك الرقعة ، واكتشف عندما تكون على وشك تجاوز الحد الأدنى [بمعنى] أنها ستحدث نوبة ، ثم تغلقها ؟ هذا ليس واضحًا ، ولكن من الناحية المفاهيمية ، من السهل تنفيذه.

أشياء مثل إعادة تنشيط الذاكرة وتعطيلها هي ، بالنسبة لي ، وحشًا آخر تمامًا. من حيث المبدأ ، [هذا] ممكن ، لكن التكنولوجيا غير موجودة بعد. أود أن أراها مطبقة وهي مجرد ثورة واحدة ، لكن في الوقت الحالي ، لا أعتقد أن ذلك ممكن. أفضل شيء يجب أن ندرسه بداخلك هو التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) ، ويمكننا فقط أن نرى بدقة 10 من 1000 من خلايا الدماغ ، في حين أنه من الصعب العثور على ذاكرة وسط هذا البحر من خلايا الدماغ. التكنولوجيا ليست موجودة بعد.

ألان وودز: هل هناك أي تطبيقات محتملة لعلم البصريات الوراثي لخلايا أخرى داخل جسم الإنسان ، ولكن خارج الدماغ؟

XL: يحاول الناس تطوير جميع أنواع الأدوات التي يمكن أن تنطبق على أنواع أخرى من الخلايا ، وليس فقط الخلايا العصبية. يمكنك استخدام الضوء للتحكم في نسخ وترجمة الجينات ، أو غيرها من مسارات الإشارات الجزيئية في الخلايا. من خلال القيام بذلك ، قد تكون قادرًا على تطبيق معالجة خفيفة يمكن التحكم فيها ليس فقط على الخلايا العصبية في الدماغ ، ولكن أيضًا على الخلايا الأخرى. في هذا ، قد يكون هناك علاج للسرطان أو مرض السكري. حاليًا ، يقوم الأشخاص بتطوير المزيد والمزيد من الأدوات لتوسيع نطاق علم البصريات الوراثي. هذا ما أراه بداية مثيرة للغاية.

أيمي: ما هو المفهوم الخاطئ الأكثر شيوعًا حول عملك وأبحاثك في علم البصريات الوراثي بشكل عام؟

ريال سعودى: أولاً ، هناك الكثير من الإثارة ، خاصة فيما يتعلق بورقتنا البحثية لعام 2012 لأننا صنعنا ذكريات خاطئة. كان أحد أكبر الالتباسات حول ورقتنا هو أننا "نغرس" ذكريات خاطئة من خلال إنشاء ذاكرة من الألف إلى الياء ، وأننا نصنعها من لبنة وهاون "أشياء الذاكرة". والأكثر من ذلك أننا نعيد توحيد العناصر الموجودة بالفعل في الدماغ.

كما أن العلاقة بين تلك التجربة مع الفئران والذكريات الخاطئة لدى البشر غير واضحة. هناك طرق لمعرفة مدى ارتباطهم ببعضهم البعض ، ولكن [كان] هناك الكثير من الإثارة [قائلاً] ، في السنوات القادمة ، يمكن استخدام هذا للبشر. هذا مفهوم خاطئ لأن العمل لا يترجم بهذه السرعة أو ذلك تمامًا عبر السلم التطوري. هناك الكثير من القفزات التي يجب القيام بها من العمل في الفئران إلى البشر ، وهذا لا يشمل التداعيات الأخلاقية لذلك. يعتقد الأشخاص الذين يسارعون في رسم هذا التوازي بين الفئران والبشر أنه سيحدث بين عشية وضحاها ، لكنه ليس كذلك. من حيث المبدأ ، ربما ، ولكن ليس في أي وقت قريب.

أيمي: ما هو الجزء الأكثر تحديًا في بحثك باستخدام علم البصريات الوراثي لدراسة التعلم والذاكرة في الفئران؟

XL: عندما يكون لديك مفهوم جديد ، في بعض الأحيان ، يكون جديدًا لدرجة أن المجال سيواجه بعض المقاومة. على سبيل المثال ، عندما اقترحنا هذا لأول مرة كمقترح منحة وأرسلناه إلى المعاهد الوطنية للصحة في محاولة للحصول على تمويل ، في الواقع ، في ذلك الوقت ، تم رفض هذا الاقتراح لأن الناس كانت لديهم شكوك. لم يعتقد الناس أن هذا سيعمل. لكن لحسن الحظ ، وبدعم قوي من الدكتور سوسومو تونيغاوا ، قال إن هذه فكرة جيدة ويجب علينا العمل عليها. وفي غضون عامين ، قمنا بنشر بحثين ممتازين للخروج من هذا.

في بعض الأحيان ، عندما تظهر فكرة جديدة ، ستواجه بعض المقاومة. بعد أن أصبح ذلك ممكنًا ، يجري الأشخاص في مختبرات أخرى في جميع أنحاء العالم تجارب مثل هذه. لذلك تفتح نافذة ، ولكن عندما تفتح النافذة ، يقفز الجميع. تحتاج إلى التفكير قبل الحشد. أنت بحاجة إلى التفكير في "ماذا أفعل بعد ذلك؟" من الواضح أنك لا تستطيع أن تفعل الشيء نفسه بالضبط. ذهب الجزء الممتع إذا لم تفعل. عليك تحديد أهداف جديدة ومجالات جديدة للعمل عليها.

ريال سعودى: كل عالم له فلسفة مختلفة في هذا الشأن. يمكننا أنا وشوي قضاء حياتنا المهنية في وصف إعادة تنشيط ذاكرة الخوف في المسنن. لكن بالنسبة لنا ، لن أقول أنه سيكون مملًا ، لكنه لن يكون مثيرًا بعد الآن. بعد جزء إعادة التنشيط ، كان بإمكاننا اختبار "هل يمكنك إعادة تنشيط ذاكرة الخوف في مناطق الدماغ A ، B ، C ، D ، E ، F ، G؟" بام ، هذه هي المهنة بأكملها. بعض الناس يفعلون ذلك. لكن بالنسبة لي ولشوي ، كانت الأسئلة التالية هي أسئلة الذاكرة الخاطئة. الآن ، الأسئلة التالية هي أسئلة الذاكرة الإيجابية ، أسئلة الاكتئاب ، أسئلة الذاكرة الاجتماعية.

ليس من أسلوبنا طرح الأسئلة الصغيرة التي ستميز جزءًا صغيرًا مما قد تبدو عليه هذه الذاكرة. إنه يتعلق أكثر بـ "ما هو السؤال الكبير التالي الذي يمكن أن يفتح طريقة جديدة تمامًا لدراسة هذا المجال؟" هذه مثيرة للغاية. إنهم صعبون وهم صعبون ، ومن الصعب حقًا تنفيذها وهناك الكثير من المقاومة ، بالتأكيد. لكنهم هم الذين يمنحونك أكبر صدمة للأدرينالين عندما تجري اتصالًا إيجابيًا مع الواقع وتكتشف شيئًا ما وتطرح سؤالًا بهذا الحجم.

ألان وودز: هل هناك أي شيء آخر تود إضافته؟

ريال سعودى: الشيء الوحيد الذي أنصح به لأي شخص هو أن هذه الأسئلة التي تبدو من الخيال العلمي والتي طرحناها والتي تم تنفيذها إلى حد ما على الفئران كانت نتيجة تعاون ضخم. أعرف مدى تنافسية وصعوبة البيئة الأكاديمية في الوقت الحاضر ، لكن لا يجب أن تكون على هذا النحو. السبب وراء عمل هذه المشاريع بالسرعة التي عملوا بها هو أن Xu وأنا لاعبان في الفريق. لقد ساعدنا بعضنا البعض كثيرًا في كلا المشروعين. لقد كان عملاقًا موجهًا نحو الفريق. جعل ذلك الأمر ممتعًا ، أولاً وقبل كل شيء ، وجعله يعمل مرتين أسرع & # 8211 ، اثنان من العقول أفضل من واحد. الآن ، هناك فريق كامل يعمل على هذا المشروع. أريد أن أحمل هذه الروح الموجهة نحو الفريق لبقية مسيرتي لأنني استمتعت كثيرًا بالقيام بذلك.

XL: يمكنك التمسك بسررك الصغير ، لكن يمكنك الاحتفاظ به لفترة طويلة فقط. لدينا ما يسمى "فريق X" لدينا يتوسع بشكل هائل. [هنا] ، لديك أشخاص يستخدمون طرقًا متشابهة ، لكنهم يطرحون أنواعًا مختلفة من الأسئلة أو الأسئلة بطريقة إبداعية لم نفكر فيها من قبل. كان لدى الجميع أفكار رائعة ، ولكن إذا جمعنا أفكارنا معًا ، فيمكننا التعاون وسيخلق ذلك العديد من اللحظات الأكثر إثارة بالنسبة لنا.

الإفصاح: سبق أن تدربت آن ويست في مختبر Xu Liu & # 8217s.


دائرة الدماغ تشارك في الشرب القهري المحدد في الفئران

السمة المميزة للإدمان على الكحول هي الشرب القهري على الرغم من العواقب السلبية. يعاني ثلاثون بالمائة من الأمريكيين من اضطراب تعاطي الكحول المحدد سريريًا (AUD) في مرحلة ما من حياتهم. يتعافى أكثر من النصف ، لكن هذا لا يزال يترك ملايين الأشخاص يعانون من إدمان الكحول مدى الحياة في الولايات المتحدة وحدها. "اضطرابات تعاطي الكحول والإفراط في شرب الكحوليات يقتلان أشخاصًا أكثر من الأفيون" ، كما يقول عالم الأدوية العصبية كيمبرلي نيكسون ، من جامعة تكساس في أوستن. يميل الناس إلى نسيان ذلك

معظم الناس لا يصابون باضطراب AUD ، حتى لو كانوا يشربون بكثرة ، أو بنهم ، ولكن لا يُعرف سوى القليل عن العوامل التي تحدد قابلية التعرض للشرب القهري على المدى الطويل. تصف دراسة جديدة بقيادة عالم الصيدلة كودي سيسيليانو من جامعة فاندربيلت وعالمة الأعصاب كاي تاي من معهد سالك للدراسات البيولوجية دائرة عصبية تتحكم في الشرب القهري في نموذج فأر. يتنبأ النشاط في هذه الدائرة بأسابيع مقدمًا أي الفئران ستستمر في الشرب على الرغم من العواقب السلبية عند إعطائها الفرصة.بالإضافة إلى تحديد العلامات القائمة على الدماغ و ldquobiomarker & rdquo لقابلية الشرب القهري ، تكشف الدراسة عن هدف جديد محتمل لتطوير علاجات لـ AUD ، وربما اضطرابات تعاطي المخدرات بشكل عام.

في الدراسة التي نشرت يوم الخميس في علمقام الباحثون أولاً بتدريب الفئران على ربط الصوت بإيصال السكر عبر أنبوب في العلبة الخاصة بهم. بعد ذلك ، خلال مرحلة & ldquoprebinge & rdquo ، استبدل الباحثون السكر بالكحول. ثم قاموا بإعطاء الحيوانات الكحول الممزوج بالكينين (الذي له نكهة مريرة ، ويستخدم كعقوبة ، أو "نتيجة متقدة"). خلال مرحلة & ldquobinge & rdquo ، لم يكن للفئران إمكانية الوصول إلى الكحول ، أو الوصول غير المحدود إلى كل من الماء والكحول لمدة ساعتين أو أربع ساعات في اليوم. في المرحلة النهائية & ldquopostbinge & rdquo ، تم إعطاء الفئران الكحول مرة أخرى ، ثم الكحول بالإضافة إلى الكينين. قام الفريق بتقسيم الفئران إلى مجموعات بناءً على استهلاكهم للكحول في مرحلة ما بعد النهم. & ldquo يشربون منخفضون & [ردقوو] شربوا قليلاً ، في حين أن الذين يشربون ldquohigh & rdquo كانوا يشربون كثيرًا في البداية ، ولكن ليس مرة واحدة تم إعادة تقديم الكينين. المجموعة الثالثة ، ldquocompulsive & rdquo ، شربت كثيرًا ، ولم يتم تأجيلها بواسطة مادة الكينين المضافة. استخدم الباحثون أيضًا الصدمات الخفيفة كعقاب ، وشاهدوا أنماطًا مماثلة للشرب ، مما يدل على أن هذه الاختلافات لم تكن خاصة بالكينين.

اشتبهت تاي وزملاؤها في أن منطقتين من الدماغ تلعبان دورًا في الشرب القهري. قشرة الفص الجبهي الإنسي (mPFC) هي منطقة دماغية أعلى تشارك في التحكم السلوكي والوظائف الأخرى والتنفيذية ، مثل الحكم واتخاذ القرار (التي تعاني من ضعف في اضطرابات تعاطي المخدرات والكحول). اللون الرمادي حول القناة الظهرية (dPAG) هو منطقة جذع الدماغ تشتهر بدورها في الألم ، لكن تاي وآخرون أظهروا سابقًا أن الخلايا العصبية التي تربط mPFC بعملية dPAG تجارب مكرهه. في الدراسة الجديدة ، استخدم الفريق تقنية تصوير عالية التقنية تسمى تصوير الكالسيوم لتصور نشاط المئات من هذه الخلايا العصبية ldquomPCF-dPAG & rdquo في بداية مرحلة ما قبل النهم.

على الرغم من عدم وجود فروق في استهلاك الكحول في هذه المرحلة بين الفئران القهرية والمجموعات الأخرى ، فقد أظهروا نشاطًا عصبيًا متميزًا. توقع النشاط في الخلايا العصبية mPFC-dPAG خلال الفئران و rsquos أول لعق للكحول أي الفئران ستطور شربًا قهريًا قبل ثلاثة أسابيع من ظهور السلوك فعليًا في مرحلة لاحقة من الدراسة. & ldquo هذا & rsquos ما & rsquos مثيرًا للغاية ، & rdquo يقول نيكسون ، الذي لم يشارك في الدراسة ، لكنه كتب تعليقًا مصاحبًا في نفس العدد من علم. & ldquo هذا هو بعض الاختلاف الفردي في تلك الحيوانات و mdashand ربما في الناس و mdasht التي تجعلهم لأعراض حادة في المستقبل. & rdquo

أظهرت الفئران القهرية نسبة أعلى من الإشارات المثبطة ، أو التي تشبه الفرامل ، مقارنة بالإشارات المثيرة ، مقارنة بالفئران الأخرى. يعتقد الباحثون أن هذا النمط من نشاط الدماغ يعطل انتقال الإشارات البغيضة في دائرة mPFC-dPAG ، مما يقلل من الحساسية للعقاب. لإثبات أن الدائرة تتحكم في السلوك بهذه الطريقة ، استخدموا تقنية تسمى علم البصريات الوراثي لجعل الخلايا العصبية mPFC-dPAG قابلة للتحكم باستخدام الضوء. لقد أظهروا أن & ldquotation & rdquo الدائرة تزيد من شرب الكحول القهري (تجاهلت الفئران الكينين أكثر) ، في حين أن تشغيله يحاكي العقوبة ويقلل من تناول الكحول. & ldquo تحصل على انخفاض دائم في الشرب ، وهو أمر مثير حقًا ، & rdquo يقول Tye & mdash & ldquothe فكرة أن هناك & rsquos بعض التعلم ، أو التغيير البلاستيكي ، الذي يستمر بعد ذلك اليوم المحدد. & rdquo

تمثل دائرة الدماغ mPFC-dPAG هدفًا جديدًا للعلاجات. & ldquoThis منطقة جذع الدماغ قد تم التغاضي عنها جدا ، ويقول نيكسون rdquo. & ldquoIt & rsquos دائرة لم نضعها في الاعتبار ، من المحتمل أن تحتوي على أنظمة تحكم دوائية جديدة يمكننا النظر إليها. & rdquo Tye وزملاؤها بدأوا. & ldquo نحن & rsquore في البحث عن أهداف قابلة للدواء ومستقبلات جزيئية mdashsmall على أسطح الخلايا التي ستكون فريدة للدائرة ، & rdquo تقول. & ldquo في المستقبل ، إذا تمكنا من تحفيز اللدونة المشبكية في هذه الدوائر ، فمن المحتمل ألا نعالج حالات الأمراض النفسية فحسب ، بل نأمل أيضًا في علاجها. & rdquo سيكون تحديد المستقبلات العصبية الخاصة بالدائرة أمرًا مهمًا لتجنب الآثار الجانبية.

ومع ذلك ، تبقى العديد من الأسئلة الأساسية. & ldquo هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لفهم دور هذه الدائرة ، كما يقول عالم الأعصاب جيف دالي من جامعة كامبريدج ، والذي لم يشارك في الدراسة. & ldquo ما هي العوامل الكيميائية العصبية ، ما هي طبيعة هذه الإشارات المثبطة والمثيرة؟ الوقت من الفعل. يدعي تاي أن هناك نظائر ، مثل الحواجز التي تحول دون الاستهلاك (إغلاق الشريط ، أو ارتفاع الأسعار ، على سبيل المثال). "هذه هي العقوبات الفورية التي لن يفكر فيها الشارب القهري مرتين ،" تقول.

ومع ذلك ، فإن التحذير الرئيسي هو أن العلماء لا يعرفون حتى الآن مدى تشابه الفئران مع البشر ، من حيث تشفير الإشارات في الدائرة ، ووجود علامة بيولوجية تنبؤية. & ldquoThat & rsquos شيء نحتاج إلى استكشافه الآن ، & rdquo Tye يقول. ومع ذلك ، حتى فكرة وجود علامة بيولوجية في الدماغ تتنبأ بالتطور اللاحق للشرب القهري هي اختراق كبير نحن متحمسون جدًا له.


أداة جديدة للتعرف والتحكم في الخلايا العصبية

منذ أن بدأ العلماء في دراسة الدماغ ، سألوا عما إذا كانت البيولوجيا التي لاحظوها يمكن بالفعل ربطها بالسلوكيات الخارجية. يبني الباحثون فهمًا جوهريًا للتفاعلات الفيزيائية الحيوية والجزيئية والخلوية للخلايا العصبية ، لكن الربط المباشر بين هذه التفاعلات والسلوكيات الخارجية يمثل تحديًا مستمرًا في هذا المجال. قال هيونغباي كوون ، دكتوراه ، قائد مجموعة الأبحاث في معهد ماكس بلانك فلوريدا لعلم الأعصاب (MPFI): "الخصائص الفيزيائية الحيوية للخلايا العصبية معروفة جيدًا". "ما لا نعرفه جيدًا هو كيف تؤدي هذه الاتصالات والاتصالات إلى تحفيز سلوكنا".

هذا هو السؤال الطموح الذي يشرع الدكتور كوون ومختبره للإجابة عليه من خلال النظر إلى الدماغ بطريقة جديدة تمامًا. في دراسة نشرت في المجلة التكنولوجيا الحيوية الطبيعة في يونيو 2017 ، Dongmin Lee ، دكتوراه. و Jung Ho Hyun ، Ph.D. ، باحثو ما بعد الدكتوراه في Kwon Lab ، يصفون أداة جديدة طوروها لتحديد الخلايا العصبية والتحكم فيها. تسمح التقنية الجديدة ، المسماة مجموعة أدوات معالجة الجينات المستحثة بالكالسيوم أو "كال-لايت" ، للباحثين بمراقبة ومعالجة الأنشطة العصبية الكامنة وراء السلوك بخصوصية لم يسبق رؤيتها من قبل ، ونأمل أن تسمح للباحثين بتحديد السببية بين نشاط الخلايا العصبية والسلوك .

حتى الآن ، غالبًا ما يستخدم الباحثون الذين أرادوا مراقبة نشاط الخلايا العصبية في الوقت الفعلي تقنية تسمى تصوير الكالسيوم. تستفيد هذه التقنية من حقيقة أن الخلايا العصبية النشيطة تتلقى تدفقًا من الكالسيوم. إن تمييز أيونات الكالسيوم بصبغة الفلورسنت يجعل من السهل مشاهدتها تشتعل في الوقت الفعلي ، ولكنها لا تربطها بمجموعات عصبية معينة.

بناءً على التصوير التقليدي للكالسيوم وتقنيات علم البصريات الوراثي الحديثة لمعالجة نشاط الخلايا العصبية ، يربط نظام Cal-Light التعبير الجيني الفلوري بكل من النشاط والضوء. سوف تتألق الخلايا العصبية فقط إذا كانت تطلق ، ويسلط الباحث ضوءًا خاصًا عليها. إذا أوقف الباحث الضوء ، ستتوقف الخلايا العصبية عن التألق ، مما يزيد بشكل كبير من نسبة الإشارة إلى الضوضاء والنوعية الزمنية. بمجرد تحديد الباحثين لمجموعة من الخلايا المتورطة في نشاط معين باستخدام Cal-Light ، يمكنهم استخدام علم البصريات الوراثي لمعالجة تلك الخلايا. هذا يسمح لهم بتشريح السلوكيات بطريقة دقيقة بشكل لا يصدق وربما حتى المساعدة في تطوير دليل على العلاقات السببية.

لإثبات فعالية تقنية Cal-Light ، اختبرتها مجموعة الدكتور كوون أولاً في زراعة الخلايا ، ثم في الجسم الحي في نموذج فأر. في هذا النموذج ، استخدم الفريق التقنية لتحديد وتسمية ومعالجة مجموعة من الخلايا العصبية في القشرة الحركية التي اشتعلت عندما دفع فأر رافعة لتلقي مكافأة استجابة لمنبه. بمجرد تحديد الخلايا العصبية ذات الأهمية وتسميتها ، قدم فريقه التحفيز للفأر بينما قام بتثبيط مجموعة الخلايا العصبية باستخدام البصريات الوراثية. عندما تم تثبيط الخلايا ، لم يعد الفأر يضغط على الرافعة ، مما يدل على أن نشاط هذه الخلايا كان ضروريًا للفأر لتنفيذ السلوك.

توفر هذه التقنية المطورة حديثًا فرصة غير مسبوقة من خلال تصنيف الخلايا العصبية التي تتحكم في إجراءات محددة وتوفير وسائل للسيطرة عليها. وفقًا للدكتور كوون ، "توفر تقنية Cal-Light فرصة لتشريح الدوائر العصبية الكامنة وراء السلوكيات المعقدة والإحساس والإدراك وتقدم طريقة جديدة للتعامل مع الأسئلة المعقدة في علم الأعصاب."


قراءات أساسية للإدمان

التواصل عن الإدمان: دقة أم نفور؟

5 طرق لمعاقبة المدمنين - ولماذا يجب أن نتوقف

تصبح الارتباطات الممتعة للمكافأة مثبتة في المشابك مع إضافة الغلوتامات إلى المزيج العصبي البيولوجي. الخلايا العصبية التي تنطلق معًا بشكل عام تترابط معًا. يبدو أن الغلوتامات هو الغراء الذي يجعل هذه الروابط المتشابكة تلتصق ببعضها البعض. في كتابي، طريقة الرياضي، أصف الغلوتامات قائلاً ، "هناك بروتين يسمى الغلوتامات يحرق نقاط الاشتباك العصبي معًا. روابط الغلوتامات يصعب حلها ".

الخلاصة: كسر الروابط المعتمدة على الغلوتامات يحمل أدلة لعلاج الإدمان

إذا تمكن علماء الأعصاب من اكتشاف كيفية ربط الغلوتامات بالشبكات العصبية الصلبة ، فسيؤدي ذلك إلى تحسين فهمنا للدوافع والرغبة وسلوكيات البحث عن المتعة والإدمان بشكل كبير. قد يؤدي هذا البحث إلى علاجات معرفية أفضل للسلوك المدفوع بالمكافأة والعلاجات الصيدلانية المحتملة للإدمان.


يقولون أن مفتاح قلب الرجل هو من خلال معدته. الاستعارة الأكثر دقة من الناحية البيولوجية هي أن أمعائك تحمل عدة مفاتيح - ليس لقلبك ، ولكن لعقلك. من اللافت للنظر أن القناة الهضمية قادرة على تغيير قدرة الدماغ على معالجة المعلومات الحسية وتوليد السلوك. يتم تحقيق ذلك من خلال إطلاق هرمونات الأمعاء في مجرى الدم ، والتي تدخل بعد ذلك الجهاز العصبي المركزي وتغير نشاط الدماغ. وهكذا ، خلافًا للاعتقاد السائد ، لا ينفصل الدماغ والجسد عن بعضهما البعض بحاجز لا ينفصل ، فهم منخرطون في حوار منظم بشكل رائع من أجل تلبية احتياجات الكائن الحي ككل.

تمتلك أدمغة الحيوانات قدرة مذهلة على استيعاب كميات هائلة من المعلومات الحسية ، وتصفية المعلومات غير المهمة ، وتوليد الاستجابة السلوكية المناسبة. عادة ما نفكر في كيفية معالجة الدماغ للمعلومات الحسية القادمة من العالم الخارجي ، ولكنه أيضًا يغربل باستمرار الإشارات المتولدة من داخل الكائن الحي. بينما تقوم أعيننا وآذاننا وأعضاء الحواس الأخرى بنقل المعلومات إلى الدماغ حول ما يحدث خارجيًا ، فإن مجموعة متنوعة من الإشارات المتولدة في الجسم تنقل المعلومات حول ما يحدث داخليًا. على سبيل المثال ، تنقل إشارات التمثيل الغذائي المختلفة - بما في ذلك الجزيئات مثل الجلوكوز والأنسولين - معلومات حول احتياجات الجسم إلى الجهاز العصبي المركزي. ينظم هذا النوع من التفاعل بين الدماغ والجسم مدى شعورنا بالجوع أو الشبع ("الشبع") ، مما يعزز في النهاية السلوكيات التي تلبي هذه الاحتياجات. بهذه الطريقة ، تساعد "حكمة الجسد" على التأكد من أن الكائن الحي يعمل من أجل الحفاظ على التوازن الداخلي السليم ، أو التوازن الداخلي [].

تؤثر هرمونات الأمعاء المفرزة على الدماغ والسلوك

أشهر نوعين من الهرمونات المسؤولة عن تنظيم الجوع والشبع هما الجريلين واللبتين (انظر [] للحصول على رسم بياني مفيد). تفرز المعدة هرمون الجريلين عندما يحتاج الجسم إلى طاقة من السعرات الحرارية. يؤدي حقن هرمون الجريلين في حيوانات المختبر إلى سلوك البحث عن الطعام عند إعطائه عن طريق الوريد ، ويبلغ الناس عن شعورهم بالجوع حتى عندما يكونون ممتلئين. أظهرت دراسات التصوير العصبي أن هرمونات الأمعاء مثل الجريلين تغير الطريقة التي يستجيب بها الدماغ للمعلومات الحسية ، خاصة عندما يتعلق الأمر بالطعام []. في إحدى التجارب ، اضطر المشاركون إلى الصيام طوال الليل قبل تناول وجبة فطور خاضعة للرقابة ، قبل الدخول إلى ماسح ضوئي للدماغ. بمجرد دخولهم ، عُرض عليهم صور لكل من المواد الغذائية وغير الغذائية أثناء أخذ القياسات الأساسية. ثم تم إعطاؤهم إما هرمون الجريلين المعزز للجوع أو المحلول الملحي (الذي ليس له تأثير على الجوع) وعرض مجموعة جديدة من الصور. الأهم من ذلك ، لم يعرف المشاركون الحقن الذي كانوا يتلقونه. النتيجة: الأشخاص الذين تلقوا حقن الجريلين أظهروا استجابات محسنة في مناطق الدماغ المتورطة في معالجة المكافأة والتحفيز ، ولكن فقط استجابة لصور الطعام. يشير هذا إلى أن الاحتياجات الجسدية الخاصة يمكن أن تؤثر على نشاط الدماغ على وجه التحديد استجابةً للمنبهات ذات الصلة بتلك الاحتياجات. الفكرة الأساسية ، التي يدعمها العمل في حيوانات المختبر ، هي أن حالات الجوع التي تسببها هرمونات مثل الجريلين تغير معالجة المكافأة في الدماغ بطريقة تحفزهم على البحث عن نوع معين من العناصر في بيئتهم: الطعام.

على عكس الجريلين ، يُفرز هرمون اللبتين المشتق من الأمعاء من الأنسجة الدهنية ويعمل كإشارة للشبع. في الأساس ، إنها طريقة الجسم لإخبار الدماغ ، "نحن ممتلئون الآن. توقف عن البحث عن الطعام ". الحيوانات التي تفتقر إلى الجين المشفر للبتين أو مستقبلاته تظهر سلوك تغذية شره وتطور السمنة المرضية (الشكل 1). يتم نقل اللبتين بنشاط إلى الدماغ ويؤثر على خلايا الدماغ بشكل مباشر. تُظهر الحيوانات المصابة بالسمنة التي يسببها النظام الغذائي مقاومة اللبتين ، على غرار مقاومة الأنسولين المرتبطة بمرض السكري من النوع الثاني []. وهذا يعني أن الجسم لم يعد يستجيب بشكل طبيعي لزيادة هرمون اللبتين الذي يتبع الوجبة. عندما يقوم العلماء بإيصال اللبتين مباشرة إلى الدماغ ، تظهر نفس الحيوانات استجابات طبيعية (سلوك تغذية منخفض). يشير هذا إلى أن السمنة التي يسببها النظام الغذائي قد تؤدي إلى خلل في نقل هذه الهرمونات إلى الدماغ. بمعنى آخر ، لم يعد الجسم قادرًا على التواصل مع الدماغ لتوليد استجابة سلوكية مناسبة: "توقف عن الأكل!"


شكل 1: مقارنة بالفئران العادية (على اليمين) ، تظهر الفئران التي تعاني من نقص اللبتين (يسار) استهلاكًا مفرطًا للطعام والسمنة التي يسببها النظام الغذائي. صورة من ويكيميديا ​​كومنز.

أظهر التطبيق المباشر لهرمونات الجوع والشبع المشتقة من الأمعاء في الدماغ أن هذه الجزيئات ربما تلعب دورًا في مجموعة متنوعة من عمليات الدماغ. لا يشمل ذلك تنظيم سلوك البحث عن الطعام فحسب ، بل يشمل أيضًا معالجة المكافأة وتكوين الخلايا العصبية والتعلم والذاكرة. في حين أن تأثيرات هرمونات الأمعاء الطرفية على مثل هذه المجموعة الواسعة من وظائف الدماغ قد تبدو غريبة في البداية ، إلا أنها تبدأ في التفكير عندما تفكر في مدى صعوبة البحث عن الطعام من الناحية المعرفية والسلوكية بالنسبة للحيوانات في البرية. النطاق الواسع من التأثيرات التي تحدثها هرمونات مثل الجريلين واللبتين على وظائف الجهاز العصبي المركزي لها أيضًا صلة إكلينيكية محتملة ، حيث تشير إلى أن العلاجات التي تهدف إلى مكافحة السمنة من خلال تعطيل إفراز هرمون الجريلين قد يكون لها آثار جانبية تتجاوز تخزين الدهون والتمثيل الغذائي [].

التعلم النقابي والتحفيز على تناول الطعام: الآثار المترتبة على السمنة

أصبحت مجموعة متنوعة من اضطرابات الأكل والتمثيل الغذائي ، بما في ذلك السمنة والسكري ، منتشرة بشكل متزايد في بلدان مثل الولايات المتحدة (وبشكل متزايد في أماكن أخرى []). تعرض السمنة التي يسببها النظام الغذائي الأفراد لمجموعة متنوعة من المشاكل الصحية الأخرى (الشكل 2) ، وتفرض عبئًا اقتصاديًا ضخمًا على المجتمع []. أحد التفسيرات المحتملة لحدوث ذلك هو أنه في الأماكن التي تكثر فيها الأطعمة الشهية ، عادة ما يتم تلبية احتياجاتنا من السعرات الحرارية ، ويكون سلوك التغذية مدفوعًا في الغالب بالمتعة ("أحب هذا") بدلاً من التماثل الساكن ("أحتاج هذا ") العوامل. تتوفر الأطعمة الغنية بالسعرات الحرارية والفقيرة بالمغذيات بسهولة ، وكثيرًا ما يتم قصفنا بمشاهد وأصوات الشعارات والإعلانات التي تعلمنا ربطها بـ "المكافآت" الغذائية. استنادًا إلى الطريقة التي يتم بها ربط أدمغتنا بالتعلم عن طريق الارتباط ، تأتي هذه الإشارات الحسية للتنبؤ بالطعام للحث على الجوع والرغبة الشديدة حتى عندما تكون احتياجاتنا من السعرات الحرارية مشبعة بالفعل.


الشكل 2: السمنة التي يسببها النظام الغذائي تعرض الأفراد لمجموعة متنوعة من المضاعفات الطبية. صورة من.

يمكن أن تؤدي الارتباطات المكتسبة بين المواد الغذائية وغير الغذائية إلى سلوك تغذية محدد للغاية. على سبيل المثال ، يمكن تدريب الفئران على ربط حافز بسيط ، مثل نغمة ، بمكافأة طعام. تؤدي العروض التقديمية المتكررة للنغمة مع طعام معين إلى ظاهرة تُعرف باسم "التغذية المستحثة بالإشارة". بعد أن تتعلم الحيوانات ربط النغمة بمكافأة الطعام ، فإن العروض التقديمية اللاحقة للنغمة في حد ذاتها تحفز سلوك البحث عن الطعام ، حتى بشكل كامل. تغذية الفئران []. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تقديم الإشارة أثناء تناول الفئران يجعلها تستهلك أكثر مما قد تستهلكه في حالة عدم وجود نغمة. (ليس من الصعب تخيل ظاهرة مماثلة في العمل عندما نواجه المشاهد أو الأصوات أو الروائح المرتبطة بمطاعم الوجبات السريعة المفضلة لدينا.) ومن المثير للاهتمام أن هذا التأثير خاص بالطعام المرتبط بالنغمة. عند تقديم نوع مختلف من الطعام ، لا تأكل الفئران أكثر في وجود العصا. وبالتالي ، يمكن لمحفز حسي بسيط أن يثير ما يبدو أنه `` شغف '' بالغذاء محدد للغاية. وليس من المستغرب أن تستفيد صناعة الأغذية من الميل الطبيعي لأدمغتنا لتكوين ارتباطات حسية محددة عندما تنتج وتسوق العديد من الأطعمة نأكل (انظر [] للحصول على فيديو قصير حول هذا الموضوع).

مع وابل شبه دائم من الإشارات الحسية التي تشير إلى وجود مواد غذائية يسهل الوصول إليها ومجزية للغاية ، هل هناك أي أمل في كبح الوباء المتزايد للسمنة التي يسببها النظام الغذائي والاضطرابات الأيضية؟ يتمثل أحد الأساليب في التأكيد على استراتيجيات الحياة البسيطة التي تساعد في تقليل الإفراط في تناول الطعام وتعزيزها. وهذا يشمل كل شيء من الحصول على قسط كافٍ من النوم [] إلى بذل جهد واعٍ لقياس ما إذا كانت الرغبة في الأكل ناتجة عن حاجة جسدية حقيقية أم أنها مجرد "جوع حسي" []. هناك فكرة أخرى بدأت للتو في استكشافها من قبل الباحثين وهي تطوير علاجات تؤثر على استجابة الدماغ لإشارات الطعام. من خلال فهم الكيفية التي يشير بها الجوع والشبع إلى دخول مثل هرمون الجريلين واللبتين إلى الدماغ والتأثير على أنماط نشاطه ، قد نتمكن من تطوير عقاقير تغير أو تمنع هذا التأثير بطريقة تقلل من سلوك البحث عن الطعام استجابة للإشارات الحسية (مثل كإعلانات). مرة أخرى ، لا يزال هذا الخط من البحث في مهده. على الأقل ، يجب أن يكون هذا بمثابة بعض الأطعمة اللذيذة للفكر.


الوحدة 5 أ: استخدام علم البصريات الوراثي مع C. ايليجانس لتجارب الطلاب القائمة على الاستفسار

في هذا الفيديو ، ستشرح هيذر رودس وطلابها الجامعيين كيفية إعداد وإجراء وتفسير النتائج من تمرين معملي قائم على الاستفسار باستخدام علم البصريات الوراثي في C. ايليجانس. على وجه التحديد ، سوف يقوم رودس بما يلي:

  • اشرح كيفية تجميع معدات بسيطة ومنخفضة التكلفة لتشغيل تجربة علم البصريات الوراثي القائم على الاستفسار مع طلاب المرحلة الجامعية.
  • إظهار تحفيز علم البصريات الوراثي للتلاعب بالسلوك الحركي في C. ايليجانس مع طلابها.

بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن تكون قادرًا على فهم كيفية دمج مناهج علم البصريات الوراثي في ​​التمارين المعملية لطلاب المرحلة الجامعية والثانوية.

قم بزيارة منتدى المجتمع للاطلاع على جميع الوحدات الثماني لمشاركة أفكارك وأفضل الممارسات ، وطرح الأسئلة ، والتفاعل مع سلسلة التدريب الأخرى والمشاركين.

مكبر الصوت


ما هو السلوك الأكثر تحديدًا الذي يمكننا التحكم فيه أو حثه باستخدام علم البصريات الوراثي؟ - مادة الاحياء

مراجعة شاملة لعلم البصريات الوراثي.

علم البصريات الوراثي هو تقنية تتضمن استخدام الضوء لمعالجة نشاط الخلايا بدقة عالية من حيث الوقت والمكان ، سواء في المختبر أو في الجسم الحي. من خلال السماح باستهداف أنواع الخلايا الفردية بشكل انتقائي ، وتشغيل وإيقاف نشاطها على مدى زمني ذي صلة بيولوجيًا يبلغ مللي ثانية ، توفر علم البصريات الوراثي درجة من الخصوصية والتحكم أكبر بكثير مما يمكن تحقيقه باستخدام الأدوية أو الآفات. في عام 2010 ، أعلنت مجلة Nature أن علم البصريات الوراثي هو "أسلوبهم العام" ، في حين صنفه العلم على أنه أحد الإنجازات التي تحققت في العقد الماضي. فلماذا ولّد علم البصريات الوراثي الكثير من الإثارة؟

في عام 1999 ، اقترح فرانسيس كريك - من شهرة الحمض النووي - في سلسلة من المحاضرات في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو أنه ينبغي أن يكون من الممكن استخدام الضوء للتحكم بدقة في نشاط الأنواع الفرعية للخلايا العصبية الفردية. في ذلك الوقت ، لم يكن من الواضح كيف يمكن تحقيق ذلك ، لكن الإجابة كانت ستأتي بعد بضع سنوات فقط عندما عمل الباحثون على كيفية محاكاة بعض العمليات في العين.

تكتشف شبكية العين الضوء بمساعدة المستقبلات الضوئية ، التي تحول الطاقة من الفوتونات إلى إشارات كيميائية يمكنها تعديل نشاط الخلايا العصبية. تحتوي المستقبلات الضوئية على صبغة تسمى رودوبسين (الشكل 1.) ، وهي مكونة من أوبسين - وهو بروتين حلزوني ذو 7 غشاء - وعامل مساعد يسمى شبكية العين ، والذي يرتبط ببقايا ليسين معينة في الحلزون السابع. يؤدي امتصاص الفوتون إلى تشابك الشبكية ، والتحول من 11-cis-retinal إلى all-trans-retinal. يؤدي هذا إلى حدوث تغيير توافقي في opsin (يشار إليه باسم التبييض) ، مما يؤدي إلى تنشيط سلسلة إشارات مقترنة ببروتين G.

بدأ عدد من الباحثين في التساؤل عما إذا كان يمكن تكييف هذا النظام للسماح بالتحكم في نشاط الخلايا العصبية باستخدام الضوء. حدد Gero Miesenböck ، الذي كان يعمل وقتها في جامعة Yale ، وزملاؤه ثلاثة بروتينات يبدو أنها ضرورية للنقل الضوئي في ذباب الفاكهة: رودوبسين ، واعتقال 2 ، ووحدة ألفا الفرعية لبروتين G المتغاير المتماثل. عندما أدخلوا الجينات المشفرة لهذه البروتينات الثلاثة (التي يشار إليها باسم "chARGe") في عصبونات قرن آمون المزروعة ، أطلقت الخلايا العصبية إمكانات فعلية عند التعرض للضوء الأبيض. ومع ذلك ، كان التأخير الزمني بين التعرض للضوء وإطلاق النار المحتمل للعمل متغيرًا بدرجة كبيرة (يتراوح من بضع مئات من المللي ثانية إلى عشرات الثواني) وكان نظام الجينات الثلاثة معقدًا نسبيًا للتلاعب به [6].

في عام 2005 ، حدث اختراق عندما وجد كارل ديسيروث وإد بويدن من جامعة ستانفورد طريقة لجعل الخلايا حساسة للضوء باستخدام بنية واحدة فقط. كان معروفًا منذ سبعينيات القرن الماضي أن بعض الطحالب أحادية الخلية تستخدم الضوء للتحكم في تدفق الأيونات عبر أغشية البلازما الخاصة بها ، ولكن لم يتم تحديد البروتين المسؤول عن ذلك حتى عام 2003. كلاميدوموناس رينهاردتي (الشكل 2.) [7]. أظهر Nagel et al أن الطحالب تعبر عن قناة كاتيون غير انتقائية تسمى channelrhodopsin-2 (ChR2) ، وهي عبارة عن بوابات مباشرة بواسطة الضوء الأزرق. كان الحل الذي ابتكره Deisseroth و Boyden هو إدخال ChR2 في الخلايا العصبية الحُصَينية في الثدييات في المختبر ولإظهار أن تسليط الضوء الأزرق على هذه الخلايا تسبب في إطلاقها بعد 1-2 مللي ثانية. أدى إطفاء الضوء إلى توقف الخلايا عن إطلاق النار ، مما وفر وسيلة بسيطة وفعالة للتحكم في نشاط الخلايا العصبية [8].

تم حل التركيب البلوري لقناة channelrhodopsin في وقت مبكر من عام 2012 [9]. مثل رودوبسين الفقاريات ، يتكون ChR2 من بروتين opsin حساس للضوء والعامل المساعد المرتبط بالشبكية. ولكن على عكس رودوبسين ، فإن ChR2 لا يقترن بسلسلة إشارات بوساطة G-protein بدلاً من ذلك ، يشتمل ChR2 على قناة أيونية مباشرة ، مما يمكّنه من الاستجابة بسرعة أكبر للضوء.

عندما تكون الخلايا العصبية في حالة راحة ، يتم شحن الجزء الداخلي للخلية سلبًا بالنسبة إلى الخارج. يولد هذا فرقًا محتملًا عبر الغشاء يبلغ حوالي -70 مللي فولت (احتمال الراحة). عندما يضيء ChR2 في الغشاء العصبي بالضوء الأزرق ، يتحول جميع المتماكبات عبر الشبكية إلى 13-cis-retinal ، ويفتح هذا التغيير المطابق قناة ChR2 الموجبة. تتدفق الأيونات الموجبة الشحنة إلى الخلية ، والتي تصبح خالية من الاستقطاب (يصبح فرق الجهد عبر الغشاء أقل سلبية). إذا وصل نزع الاستقطاب إلى عتبة حرجة ، تبدأ سلسلة من الأحداث التي تؤدي في النهاية إلى إطلاق الخلية لجهد فعل (تصاعد). يؤدي إيقاف تشغيل الضوء الأزرق إلى عودة 13-cis-retinal بسرعة إلى شبكية العين بالكامل وإغلاق القناة وإعادة استقطاب الخلية.

منذ تجربة إثبات المفهوم الأولى ، قام Deisseroth و Boyden بتزويد المئات من المختبرات في جميع أنحاء العالم بتركيبات علم البصريات الوراثي ، ويستمر استخدام هذه التقنية في النمو. على سبيل المثال ، قام Zhang X et al بحقن AAV2 / 9-EF1α-DIO-ChR2-mCherry في النواة المركزية للوزة الدماغية والنواة المجاورة للبطين في الفئران لدراسة التحكم العصبي في الاستجابات المناعية الخلطية في الطحال [10]. قام Siciliano CA وآخرون بحقن AAV5-DIO-ChR2-eYFP في قشرة الفص الجبهي الإنسي للفأر لدراسة شرب الكحول القهري [11]. قام ناكاشيما إيه وآخرون بتوليد الفئران ChR2 الخاصة بالعصبونات الشمية للتحقيق في تكوين خريطة حاسة الشم [12]. اكتشف Marshel JH et al قناة رودوبسين ذات الانزياح الأحمر ، ChRmine ، من خلال الفحص الميتاجينومي الوظيفي لمشروع تسلسل النسخ الميكروبية لحقيقيات النوى البحرية من الأنواع Tiarina fusus إجهاد LIS لدراستهم الديناميكيات الخاصة بالطبقة القشرية أثناء الإدراك [13]. تم استخدام ChRmine لتنشيط الدوائر العصبية العميقة في الدماغ دون جراحة داخل الجمجمة [14].

تم وصف التحكم الوراثي العكسي لتوطين البروتين دون الخلوي باستخدام نظام أرابيدوبسيس المحفز للضوء الأحمر (PHYB-PIF) والإضاءة الدقيقة للضوء في أجنة الزرد [15] وتم تطويره إلى بروتوكول يسمى optoSOS ، والذي تم استخدامه لدراسة الديناميكيات من إرسال إشارة Ros-Erk في الخلايا الطبيعية والسرطانية [16].

  1. صمم البناء. يجب وضع الجين الذي يقوم بترميز opsin الحساس للضوء (على سبيل المثال ، ChR2 ، ولكن يتوفر الآن عدد من الجينات الأخرى ، كل منها بخصائص مميزة) تحت سيطرة المروج الذي سيوجه تعبيره في الوقت والمكان المطلوبين.
  2. أدخل البناء في الخلايا. بالنسبة للتجارب في المختبر ، يمكن تحقيق ذلك من خلال تعداء العدوى (على سبيل المثال ، باستخدام التثقيب الكهربائي أو فوسفات الكالسيوم لعمل "ثقوب" في غشاء الخلية التي يمكن للبناء من خلالها المرور أو عن طريق وضع البنية داخل الجسيمات الشحمية ، والتي تندمج بعد ذلك مع الغشاء و الافراج عن محتوياتها في الخلية). ل في الجسم الحي في العمل ، يتم تغليف التركيب عمومًا في فيروس ، ثم يتم حقنه في المنطقة المستهدفة (نقل الفيروس). بدلاً من ذلك ، يمكن إنشاء الفئران المعدلة وراثيًا (أو شراؤها في بعض الحالات) التي تعبر عن opsin تحت سيطرة مروج معين.
  3. حدد مصدر ضوء. ل في الجسم الحي التجارب ، يكون هذا عادةً مصباح LED أو ليزر مقترن بكابل ألياف بصرية للسماح بتسليم الضوء إلى منطقة محددة.
  4. قياس آثار التلاعب بالنشاط الخلوي. ستعتمد الطريقة المختارة على الأهداف المحددة للتجربة ، ولكن يمكن أن تشمل تقنيات مثل التسجيلات الكهربية ، وتصوير الكالسيوم ، والرنين المغناطيسي الوظيفي البصري ، والبيولوجيا الجزيئية أو الاختبارات السلوكية ، على سبيل المثال لا الحصر.

لا يزال ChR2 الدعامة الأساسية لمجموعة أدوات علم البصريات الوراثي ، ولكن هناك أيضًا عدد من المتغيرات الإضافية المتاحة ، والتي تم تصميمها لامتلاك خصائص محددة. وتشمل هذه عائلة ChR1 / VChR1 من تشانيل رودوبسين ، وهي إصدارات أكثر فاعلية من ChR2 التي يتم تنشيطها بواسطة الضوء الأحمر - بدلاً من الأزرق - و CatCh ، وهو متغير مع وقت استجابة متسارع وحساسية أعلى للضوء بسبب زيادة الكالسيوم نفاذية [17 ، 18]. Venkatesh HS وآخرون المنقولة ChR2 - YFP lentiviral vector (pLV-ef1-ChR2 (H134R) -eYFP WPRE) إلى خلايا SU-DIPG-VI و SU-DIPG-XIII-FL لدراسة إزالة الاستقطاب البصري للورم الدبقي [19]. إن وجود قناة رودوبسين الحساسة للأطوال الموجية الأخرى يجعل من الممكن إجراء تجارب اندماجية ، حيث يمكن التلاعب بنشاط العديد من مجموعات الخلايا (كل منها يعبر عن opsin مختلف) في وقت واحد. تعتبر الحساسية للضوء ذي الانزياح الأحمر ذات قيمة خاصة لأن الأطوال الموجية الأطول تميل إلى التشتت بشكل أقل وبالتالي يمكن أن تخترق الأنسجة بشكل أعمق.

في حين أن الحركة السريعة للتنشيط وإلغاء التنشيط لـ ChR2 مفيدة في بعض التجارب ، تتطلب دراسات أخرى تنشيطًا عصبيًا مستقرًا على مدى فترات أطول. لتحقيق ذلك ، يتطلب استخدام ChR2 إضاءة طويلة للأنسجة ، مما قد يؤدي إلى تلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة. للتغلب على هذه المشكلة ، تم تطوير فئة من opsins تعرف باسم خطوة الوظيفة opsins (SFOs). تقوم نبضة واحدة من الضوء الأزرق بتحويل قناة SFO إلى حالة مفتوحة ، ويتم الحفاظ عليها لمدة تصل إلى دقيقة بمجرد إيقاف تشغيل الضوء (بدلاً من ذلك ، يمكن لنبضة واحدة من الضوء الأصفر إغلاق القناة). تعمل opsins المتدرجة المستقرة (SSFOs) على توسيع هذا المبدأ إلى أبعد من ذلك ، مما يسمح بتنشيط مستقر للخلايا العصبية عدة مليمترات تحت سطح الدماغ باستخدام نبضة ضوئية قصيرة منخفضة الكثافة. ثابت وقت تعطيل القناة لـ SSFO هو حوالي 29 دقيقة [20]. على النقيض من ذلك ، فإن المتغيرات الأخرى من ChR2 مثل عائلة ChETA [21] و ChIEF [22 ، 23] تسمح بتشغيل الخلايا العصبية لتطلق على ترددات أعلى مما هو ممكن مع ChR2.

لتثبيط إطلاق الخلايا العصبية ، يمكن استخدام قناة كلوريد داخلية حساسة للضوء تسمى هالورودوبسين (NpHR) - مشتقة من الهالوباكتيريوم Natronomonas pharaonis. عندما يضيء بالضوء الأصفر ، يقوم NpHR بتوصيل أيونات الكلوريد إلى الخلية ، وبالتالي تصبح مفرطة الاستقطاب. تستخدم معظم التجارب اليوم هالورودوبسين "مُحسَّن" يُعرف باسم eNpHR3.0 ، والذي تم تحويره لتوليد تيارات ضوئية أكبر واستقطاب غشاء أكثر فعالية من NpHR. على سبيل المثال ، قام Siciliano CA وآخرون بحقن AAV5-CaMKIIα-eNpHR3.0-eYFP المنقولة بالتدريج في قشرة الفص الجبهي الإنسي للفأر لتحقيق تثبيط ضوئي عند اللون الرمادي حول القناة الظهرية [11]. خيار بديل هو استخدام مضخة البروتون الخارجية التي يتم تنشيطها بالضوء ، يؤدي تنشيط archaerhodopsin (Arch) إلى تدفق خارجي للبروتونات ، مما يؤدي مرة أخرى إلى زيادة استقطاب الخلية [24 ، 25]. أدت الطفرات في تشانيرودوبسين إلى توليد قناة كلوريد مثبطة أخرى حساسة للضوء ، iChloC [26] ، وقد تم استخدام iChloC بواسطة N Kataoka et al [23].

تم أيضًا تطوير Cruxhalorhodopsin ، Jaws ، المشتق من Haloarcula (Halobacterium) salinarum (سلالة القرش) لتمكين التنشيط البصري على الرغم من اختراق الضوء الأحمر بشكل أكبر [27]. على سبيل المثال ، قام Kim J et al بحقن AAV8-hSyn-Jaws-KGC-GFP-ER2 من مركز UNC الفيروسي في فئران Long Evans لإسكات العصب [28].

ومع ذلك ، لا يمكن التحكم في القنوات الأيونية فقط بالضوء: يمكن تنشيط شلالات الإشارات داخل الخلايا أو تثبيطها باستخدام OptoXRs. هذه هي خيمرات مستقبلات الأوبسين التي تم فيها استبدال الحلقات داخل الخلايا لبروتين رودوبسين بحلقات داخل الخلايا من مستقبلات مقترنة ببروتين G أخرى. يتيح ذلك تشغيل شلالات الإشارات التي تتم بوساطة بروتين G وإيقاف تشغيلها داخل الخلايا ، مما يؤدي إلى استنباط أنماط من النشاط الخلوي يحتمل أن تكون أكثر صلة من الناحية الفسيولوجية من تلك التي تنتج عن فتح وإغلاق القنوات الأيونية التي يسببها الضوء.

يجب بعد ذلك وضع opsin المختار تحت سيطرة المروج ، والذي سيقود تعبيره في الخلايا. إن أبسط نهج هو وضع opsin في اتجاه مجرى مروج قوي في كل مكان ، مثل عامل الاستطالة 1α (ELF-1α) أو السينابسين أو الفيروس المضخم للخلايا (CMV) أو CAG. سيعطي هذا تعبير opsin قويًا في أي نوع خلية تقريبًا يوجد فيه البناء. بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام محفزات محددة من نوع الخلية مثل كيناز α- كالسيوم / كالمودولين المعتمد على (αCamKII) ، والذي يتم التعبير عنه في الخلايا العصبية الهرمية للدماغ الأمامي ، لاستهداف تعبير opsin بشكل أكثر دقة. ومع ذلك ، يمكن أن يكون التعبير من هؤلاء المروجين ضعيفًا نسبيًا مقارنة بالتعبير عن المروجين في كل مكان.

  • Electroporation أو النواقل الفيروسية. الأغلبية في الجسم الحي تستخدم التجارب التنبيغ الفيروسي لإدخال بناء المروج-opsin. هذا يحد من حجم المروج لأنه يجب حزم البنية بأكملها في الفيروس. أكثر الفيروسات شيوعًا هي الفيروسات المرتبطة بالغدة (AAV) والفيروسات البطيئة. يمكن تجميع ما يقرب من 5 أزواج كيلوبات (kbp) من المادة الوراثية في AAV ، في حين أن الفيروسات البطيئة يمكن أن تحتوي على ما يقرب من 8 كيلو بايت. ومع ذلك ، تتمتع AAVs بميزة أنها تستطيع تكرار الحمض النووي الخاص بها في سيتوبلازم الخلية المضيفة. على سبيل المثال ، قام Hirokawa J وآخرون بحقن النمط المصلي المرتبط بالغدة 2/9 الذي يحمل EF1a-DIO-ChR2-EYFP32 أو hSyn-DIO-إيقافon و CAV2-Cre 4.1E12 في مخطط الجرذ أو القشرة الأمامية المدارية [29]. تم حقن Zhang J et al في AAV-DIO-ChR2 أو AAV-DIO-GFP في منطقة معينة لدراسة استشعار الحامض [30]. قام Szőnyi A وآخرون بحقن AAV2 / 5-EF1α-DIO-hChR2 (H134R) -eYFP من Penn Vector Core في مناطق دماغ الفأر لدراسة دور نواة جذع الدماغ داخل خلايا GABAergic في تكوين الذاكرة السياقية [31]. على النقيض من ذلك ، يجب أن تدمج الفيروسات البطيئة مادتها الجينية (في شكل RNA) في جينوم المضيف ، ويمكن أن يؤدي هذا في بعض الأحيان إلى اضطراب ضار في جينات المضيف.
    يتم إدخال الفيروس إلى الأنسجة المستهدفة عن طريق الحقن التجسيمي ، وعندها يصيب العديد من الخلايا. ومع ذلك ، فقط أولئك الذين يعبرون عن المروج المحدد سوف يصنعون بروتين opsin.
  • باستخدام نظام recombinase Cre
    تتمثل إحدى عيوب استخدام المحفزات الخاصة بنوع الخلية في أنها يمكن أن تؤدي إلى مستويات منخفضة نسبيًا من التعبير الجيني. تتمثل إحدى الوسائل البديلة لتحقيق تعبير جيني قوي خاص بنوع الخلية في الجمع بين استخدام مروج قوي موجود في كل مكان مع استخدام فأرة محرك إعادة التركيب Cre recombinase. سيحد هذا من تنشيط المروج لأنواع الخلايا المطلوبة. إن المناقشة الكاملة لنظام إعادة التركيب لـ Cre خارج نطاق هذه المراجعة. ومع ذلك ، باختصار ، فإن Cre recombinase هو إنزيم يحفز إعادة التركيب الخاص بالموقع بين تسلسلين للتعرف على الحمض النووي يعرفان باسم مواقع loxP. سيتم استئصال أي DNA موجود بين موقعي loxP من نفس الاتجاه (DNA "floxed").
    في علم البصريات الوراثي ، غالبًا ما يتم وضع جين opsin في اتجاه مجرى مروج قوي موجود في كل مكان (مثل ELF-1α أو CMV) ، ولكن يتم فصله عنه بواسطة كاسيت توقف. عند نسخها وترجمتها ، تقدم كاسيت الإيقاف كودون توقف في سلسلة البولي ببتيد ، مما يمنع التعبير عن الأوبسين. ومع ذلك ، فإن الكاسيت محاط بموقعين من loxP. هذا يعني أنه عندما يتم حقن البنية في دماغ فأرة سائق Cre - حيث يتم التعبير عن recombinase Cre في أنواع خلايا معينة أو مناطق دماغية - سيحدث استئصال كاسيت الإيقاف والتعبير عن opsin ، ولكن فقط في تلك المناطق التي صريحة كري.
    ومع ذلك ، فإن قيود الحجم التي تفرضها النواقل الفيروسية تعني أنه لا يمكن استخدام سوى أشرطة التوقف الصغيرة نسبيًا ، وهذا يمكن أن يؤدي إلى "تسرب" مع التعبير عن جين opsin في خلايا Cre السلبية. للتغلب على هذه المشكلة ، يستخدم العديد من الباحثين الآن متجهات فيروسية لإطار القراءة المفتوح المقلوب المزدوج (DIO) ، والتي تعطي تعبيرًا انتقائيًا عن طريق Cre دون الحاجة إلى استخدام أشرطة التوقف. باختصار ، نسخة مقلوبة من جين opsin محاطة بنوعين غير متوافقين من loxP. في وجود recombinase Cre ، يحدث انعكاس لجين opsin ، ويتم التعبير عن opsin.
  • الفئران المعدلة وراثيا الجاهزة
    في السنوات الأخيرة ، أصبح من الممكن شراء الفئران التي تظهر تعبيرًا مستقرًا للأوبسين تحت سيطرة المروجين مثل ChAT (خاص بالخلايا العصبية الكولينية) أو VGAT (GABAergic interneurons) في جميع أنحاء الدماغ. بدلاً من ذلك ، يمكن للباحثين شراء سلسلة من الفئران التي تعبر عن جين opsin floxed ، جنبًا إلى جنب مع خط تشغيل Cre إضافي (تتوفر أعداد متزايدة منها للشراء أيضًا). سيؤدي عبور هذين الخطين إلى توليد نسل يُظهر تعبيرًا مستقرًا عن opsin في الأنسجة المعبرة عن Cre.

يمكن استهداف Opsins ليس فقط لأنواع محددة من الخلايا ، ولكن أيضًا إلى مواقع محددة داخل الخلايا (على سبيل المثال ، إلى محور عصبي أو محور عصبي للخلايا العصبية بدلاً من جسم الخلية). يمكن تحقيق ذلك عن طريق دمج recombinase Cre في البروتينات التي يتم نقلها على طول المحاور ، مثل راصات جرثومة القمح (WGA) أو جزء ذيفان الكزاز C (TTC). تتمثل الإستراتيجية البديلة في تركيز مصدر الضوء على المحاور بدلاً من أجسام الخلايا. هذا يجعل من الممكن تعديل نشاط الخلايا العصبية بناءً على توقعاتها بدلاً من نمط التعبير الجيني الخاص بها ، ويمكن أن يكون مفيدًا في الأنواع الأقل قابلية للتلاعب الجيني ، مثل الجرذان والرئيسيات.

لا يمكن تحقيق التحكم الدقيق في النشاط الخلوي إلا إذا كان هناك تحكم دقيق في الضوء الذي ينشط opsin. للتجارب في المختبر ، يمكن دمج مصدر ضوء ثابت مع مصراع فائق السرعة ، أو مفتاح يستخدم للتحكم في نشاط LED. تستخدم مصابيح LED المصغرة في بعض الأحيان في الجسم الحي، ولكن البديل الشائع هو optrode (مصباح LED أو مصدر ضوء ليزر مقترن بألياف بصرية). تتميز مصابيح LED بأنها أرخص وأسهل في التحكم من الليزر ، ولكنها تصدر الضوء في جميع الاتجاهات ويمكن أن يحد هذا من كمية الضوء التي تدخل إلى optrode.

إن مجرد إغراق مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية في الضوء لن يحاكي أنماط إطلاق النار الدقيقة للدماغ ، حيث يكون تنشيط الخلايا العصبية تحت سيطرة زمنية دقيقة. علاوة على ذلك ، فإن الدماغ هو كائن ثلاثي الأبعاد. لذلك طورت مجموعة Ed Boyden جهازًا يتكون من أدلة موجية دقيقة الصنع ، والتي يمكن استخدامها لتوصيل عدة مصادر ضوئية فردية إلى الدماغ بنمط ثلاثي الأبعاد [32]. يمكن أيضًا استخدام الجسيمات النانوية للتحويل المخدر بأنتانيد لتحويل الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء المخترق للأنسجة إلى انبعاث أزرق نشط [33].

تم الجمع بين علم البصريات الوراثي تقليديًا مع قراءات الفسيولوجيا الكهربية القياسية (تسجيلات ميدانية وخلايا كاملة) ، أو مع مقاييس غير مباشرة لنشاط الخلايا العصبية مثل تصوير الكالسيوم [34].ومع ذلك ، في عام 2010 ، قام لي وزملاؤه بدمج علم البصريات الوراثي مع التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لإعطاء "ofMRI" [35]. استخدموا هذه التقنية لإثبات أن النشاط المتزايد في الخلايا العصبية الاستثارية المحلية تسبب (على عكس الارتباط البسيط) في زيادة إشارة BOLD ، وأظهروا أنه يمكن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي لتصور آثار التلاعب البصري الدقيق على نشاط الدماغ العالمي. استخدم Yang W et al التصوير الحجمي للكالسيوم ثنائي الفوتون لقياس النشاط العصبي في القشرة المخية الحديثة للفأر في الجسم الحي مع الدقة الخلوية مع التحفيز العصبي مع علم البصريات الوراثي ثنائي الفوتون [36].

تتمثل إحدى نقاط القوة الرئيسية لعلم البصريات الوراثي في ​​أنه يمكن استخدامه لدراسة تأثيرات التغيير المؤقت والعكس للنشاط العصبوني على سلوك الحيوان (على سبيل المثال ، [37]. وهذا في تناقض صارخ مع الآفات التي لا رجعة فيها والتلاعب الدوائي ، في أي ساعات أو أيام قد تكون هناك حاجة للعقاقير لتغسل من الدماغ.

هناك عاملان أساسيان يجب التحكم فيهما وهما التعبير عن opsin وتفعيل مصدر الضوء. يجب مقارنة الخلايا / الحيوانات التي تعبر عن opsin مع تلك التي لا تفعل ذلك ، للتحكم في احتمال أن يكون إدخال جين opsin قد عطّل الجينات الأخرى في جينوم المضيف. من المهم أيضًا مقارنة الخلايا / الحيوانات في وجود الضوء وغيابه. وذلك لأن الإضاءة يمكن أن تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة ، مما قد يؤدي إلى تلف الأنسجة. أفاد أوين SF وآخرون عن زيادة في درجة الحرارة بمقدار 0.2-2 درجة مئوية من خلال بروتوكولات الإضاءة الشائعة الاستخدام [38]. تم العثور على الضوء الأزرق للحث على تسخين ملحوظ بالإضافة إلى التغييرات في إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي [39] وتغيير التعبير الجيني في الثقافات القشرية للفأر [40] ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى التفاعلات السمية الضوئية مع وسط الاستنبات [41].

دودة الديدان الخيطية ، أنواع معينة انيقة (الشكل 4) كان أول حيوان متعدد الخلايا يتم تسلسل جينومه بالكامل وهو خيار شائع في تجارب علم البصريات الوراثي. على الرغم من أن بكتيريا C. elegans لا تنتج جميع الخلايا عبر الشبكية ، إلا أنه يمكن إضافتها إلى العشب البكتيري الذي تتغذى عليه الديدان. يمكن للديدان التي يتم تربيتها على المروج البكتيرية دون إضافة جميع عبر الشبكية أن تكون بمثابة عناصر تحكم تجريبية قيمة.

تعتبر الدودة مناسبة تمامًا لعلم البصريات الوراثي بفضل نظامها العصبي البسيط (الذي يتكون من 320 خلية فقط) وجدار الجسم الشفاف ، مما يجعل هذه الخلايا سهلة الوصول للضوء. في عام 2005 ، أنتج Nagel et al ديدانًا معدلة وراثيًا تعبر عن ChR2 في الخلايا العصبية الحسية الميكانيكية ، أو في الخلايا العصبية الحركية داخل جدار الجسم. أدى تسليط الضوء الأزرق على الديدان إلى تنشيط هذه الخلايا العصبية وتسبب في انعكاس أو انقباض عضلاتها على التوالي [42]. بعد ذلك بعامين ، تم استخدام ChR2 و halorhodopsin (NpHR) لإنتاج تحكم ثنائي الاتجاه في تقلص عضلات جدار الجسم C. elegans [43].

جعلت التطورات اللاحقة من الممكن استهداف الخلايا الفردية بشكل انتقائي. تم تحقيق ذلك من خلال استخدام علم الوراثة التوافقية للحد من تعبير opsin للخلايا التي تعبر عن محفزات متداخلة [1] ، ومن خلال الاستهداف الدقيق لمصدر الضوء. توصلت دراستان من عام 2011 إلى أن هذا الأخير في الديدان المتحركة بحرية ، إحداهما بمساعدة جهاز عرض LCD [44] والأخرى باستخدام جهاز المرآة الدقيقة الرقمية (DMD) التي تتكون من مئات الآلاف من المرايا المجهرية القابلة للتعديل بشكل مستقل [45]. استخدم كلا النظامين خوارزميات مصممة خصيصًا لتتبع موقع الخلية المستهدفة والتنبؤ بها داخل جسم دودة متحركة ، بحيث يمكن توجيه مصدر الضوء وفقًا لذلك. يمكن بعد ذلك دراسة التأثيرات على سلوك التلاعب بنشاط الخلايا العصبية الفردية.

C. ايليجانس غالبًا ما تم استخدامه في البحث في البروتينات المشبكية وآليات الانتقال المتشابك ، وواصلت علم البصريات الوراثي هذا التقليد. تم استخدام التحفيز بوساطة ChR2 لدراسة الانتقال المشبكي عند الموصل العصبي العضلي [46] ، بينما تم استخدام adenylyl cyclase PACα المنشط بالضوء لمعالجة إنتاج cAMP في نفس المشبك [47].

أجريت بعض التجارب الأولى لاستخدام الضوء للتحكم في النشاط الكهربائي للخلايا العصبية المعدلة وراثيًا في ذبابة الفاكهة (ذبابة الفاكهة سوداء البطن) بواسطة Gero Miesenböck وزملاؤه (انظر "نبذة مختصرة عن علم البصريات الوراثي"). كانت هذه المجموعة أيضًا من بين أول من أظهر التحكم عن بعد في السلوك باستخدام علم البصريات الوراثي. في عام 2005 ، استخدم ليما وميزينبوك الضوء لاستنباط سلوكيات الهروب - مثل القفز وضرب الجناح والطيران - في الذباب المعدل وراثيًا الذي يمتلك مجموعة فرعية من الخلايا العصبية التي تم تعديلها وراثيًا لجعلها حساسة للضوء [48].

بحلول عام 2007 ، تم استخدام ChR2 في ذبابة الفاكهة (على الرغم من ذلك ، مثل C. ايليجانس، ذبابة الفاكهة لا تنتج شبكية العين ويجب تزويدها بالطعام). استخدم Hwang et al علم البصريات الوراثي لتحديد الأساس العصبي لاستجابة الألم في الذباب [49]. لقد قاموا بتوليد الذباب الذي يعبر عن ChR2 في فئات الخلايا العصبية الفردية ، وأظهروا أن إلقاء الضوء على الفئات الأولى والثانية والثالثة أدى إلى تقلص عضلي واسع النطاق. على النقيض من ذلك ، أدى إلقاء الضوء على الخلايا العصبية من الفئة الرابعة إلى إحداث سلوك دفاعي مرتبط بالألم ، مما يشير إلى أن هذه الخلايا العصبية هي مستقبلات ذبابة الفاكهة (مستقبلات الألم).

تم استخدام علم البصريات الوراثي لتكييف الاستجابات الشهية والمكروهة للروائح في ذبابة الفاكهة. ينجذب ذباب الفاكهة إلى المواد السكرية مثل المرزبانية والموز ، ويؤدي تنشيط الخلايا العصبية الشمية الحساسة لهذه الروائح إلى استجابة مقاربة. على النقيض من ذلك ، يجد الذباب روائح أخرى مثيرة للاشمئزاز ، وتفعيل الخلايا العصبية الشمية الحساسة لهذه الروائح سيؤدي إلى استجابة هروب [50].

وضع بيلمان وزملاؤه ذباب الفاكهة الفردي في طبق بتري حيث أُضيء ربعان بالضوء الأزرق ولم يكن اثنان (الشكل 5 أ). يجد ذباب الفاكهة عادة الضوء الأزرق مكرهًا (الشكل 5 ب). ومع ذلك ، عندما استخدم الباحثون الضوء الأزرق لتنشيط الخلايا العصبية المعبرة عن ChR2 الحساسة للروائح المرغوبة ، وجد الذباب فجأة أن الضوء الأزرق أقل كرهًا مما كان عليه سابقًا (على الرغم من عدم وجود رائحة) (الشكل 5 ج). على العكس من ذلك ، عندما أضاء الباحثون الخلايا العصبية الحساسة للروائح الكريهة ، تصرفت الذباب كما لو أنها اكتشفت رائحة كريهة وابتعدت عن مصدرها الظاهر (الضوء) [3 ، 51].

باستخدام مبدأ مشابه ، استخدم ميسينبوك وزملاؤه علم البصريات الوراثي لجعل ذباب الفاكهة يتعلم من "خطأ" ظنوا أنهم ارتكبوه فقط. اقترح Miesenböck أن دائرة اتخاذ القرار في الذبابة تتكون من "ممثل" ، يوجه الإجراءات ، و "ناقد" يراقب عواقب تلك الإجراءات ويقدم ملاحظات للممثل. وبالتالي ، فإن التلاعب بنشاط الناقد يجعل من الممكن التحكم في سلوك الذبابة. لاختبار هذه الفكرة ، وضع ميسينبوك وزملاؤه الذباب الفردي في أنبوب أفقي برائحة مختلفة مركزة في كل طرف. سار الذباب ذهابًا وإيابًا داخل الأنبوب ، وأخذ عينات من الرائحتين. كلما وصلوا إلى نقطة المنتصف ، كان عليهم اتخاذ قرار: التراجع والبقاء في الرائحة المألوفة ، أو الاستمرار في التقدم وجرب واحدة جديدة.

تم التلاعب بالذباب وراثيًا للتعبير عن الأوبسين في مجموعة فرعية عشوائية من الخلايا العصبية الدوبامينية في جميع أنحاء الدماغ. كلما اختار الذباب إحدى الروائح ، قام الباحثون بتنشيط الخلايا العصبية الدوبامينية. إذا كانت تلك الخلايا العصبية تتكون (أو احتوت) على "الناقد" ، فإن هذا يجب أن يجعل الذبابة ترغب في تجنب الرائحة التي وجدت نفسها فيها أثناء الإضاءة. إذا لم تتضمن تلك الخلايا العصبية الناقد ، فيجب أن يظل سلوك الذبابة على حاله.

اختبر الباحثون أعدادًا كبيرة من الذباب ، كل منها يعبر عن بروتينات حساسة للضوء في مجموعة مختلفة من خلايا الدوبامين. في معظم الحالات ، لم يكن للضوء أي تأثير على سلوك الحشرات. ومع ذلك ، في عدد قليل من الحالات ، بدأ الذباب بالفعل في تجنب الرائحة التي اختبروا فيها الإضاءة. من خلال العديد من هذه التجارب ، كان الباحثون قادرين على تضييق هوية "الناقد" إلى مجموعة من 12 خلية من خلايا الدوبامين التي ترسل ناتجها إلى بنية تسمى جسم الفطر. يقترحون أن هذا الهيكل قد يكون "الناقد" (أو مولد إشارة التعزيز) في نظام اتخاذ القرار ذبابة الفاكهة [52 ، 53]).

يعتبر سمك الزرد ، الذي هو شبه شفاف وذو خصائص جينية جيدة ، كائنًا نموذجيًا شائعًا آخر في علم البصريات الوراثي. في عام 2008 ، استخدم الباحثون الضوء لتنشيط مجموعتين من الخلايا العصبية الحسية الجسدية التي تعبر عن ChR2 ، ووجدوا أن تنشيط أي من المجموعتين أدى إلى استجابة هروب مماثلة لتلك الناتجة عن التحفيز اللمسي [54]. في حالة ثلث الخلايا العصبية ، كان التنشيط الخفيف لخلية واحدة كافياً لتحفيز استجابة الهروب ، بينما بالنسبة للخلايا العصبية ثلاثية التوائم ، كانت إمكانية الفعل الفردي كافية.

ومع ذلك ، فإن الكائن الحي الذي تم استخدامه بشكل متكرر في تجارب علم البصريات الوراثي هو على الأرجح الفأر. في الواقع ، تدين علم البصريات الوراثي بشعبيته ، جزئيًا على الأقل ، إلى الطريقة التي يكمل بها ويستغل التقدم في مجال علم وراثة الفأر. يتوفر نطاق دائم التوسع من الفئران المعدلة وراثيًا والذي يظهر تعبيرًا مستقرًا للأوبسين في أنواع خلايا معينة ، في حين أن الذخيرة السلوكية الواسعة نسبيًا لهذا النوع - جنبًا إلى جنب مع السهولة التي يمكن بها الاحتفاظ بها في المختبر - جعلت الفئران هي الأولى الاختيار عند نمذجة العديد من الأمراض البشرية. في حين أنه من المحتمل أن تنتقل تطبيقات علم البصريات الوراثي إلى ما وراء الدماغ ، إلا أن دراسات القوارض تميل إلى التركيز على الاضطرابات العصبية والنفسية البشرية [55]. قام Abdo H et al بتوليد فئران Plp-ChR2 و Sox10-ChR2 للتحقيق في دور خلايا شوان المسبب للألم في إدراك الألم [56]. تم استخدام الفئران CckCRE_ChR2-tdTomato و CckCRE_Halorhodopsin-YFP المشتقة من مخزون LSL_ChR2-tdTomato Jackson Lab 012567 و LSL_Halo-YFP Jackson Lab stock 014539 ، على التوالي ، للتحقيق في التكوين المشبكي بين الخلايا العصبية والخلايا العصبية المبهمة [57]. قام آدم واي وزملاؤه ببناء الفئران المعدلة وراثيًا OptoPatch3 لتمكين الاضطراب البصري المتزامن وقياس إمكانات عمل الغشاء [58]. قامت كارتا بحقن AAV1-SynChR2-YFP مباشرة من Penn Vector Core في نوى مخيخية عميقة للتحقيق في الإسقاطات من المخيخ إلى المنطقة السقيفية البطنية وتعديل دائرة المكافأة بواسطة هذه الإسقاطات [59].

يتميز القلق بحالة دائمة من اليقظة حتى في حالة عدم وجود أي تهديد فوري أو وشيك. إن دور اللوزة القاعدية الوحشية (BLA) في القلق راسخ بشكل جيد ، ومع ذلك ، فإن هذا الهيكل يتجه إلى العديد من مناطق الدماغ الأخرى والأهمية النسبية لكل من هذه المسارات غير واضحة. لمعالجة هذا السؤال ، استخدم Tye et al تشانيرودوبسين لتنشيط الخلايا العصبية BLA وأظهروا أن القيام بذلك يسبب القلق لدى الفئران. على النقيض من ذلك ، فإن التنشيط الانتقائي فقط لتلك الخلايا العصبية BLA ذات المحاور العصبية التي تبرز إلى النواة المركزية للوزة (CeA) كان له تأثير معاكس [37]. وبالتالي تكشف هذه البيانات عن انفصال مذهل بين عواقب تنشيط الخلايا العصبية التي تشغل نفس منطقة الدماغ ، ولكن لها أهداف إسقاط مميزة. في دراسة أكثر حداثة ، تبين أيضًا أن الإسقاطات الصادرة من نواة سرير السطور الطرفية إلى مناطق مختلفة من الدماغ لها أدوار مميزة في القلق [60].

يمكن أيضًا استخدام علم البصريات الوراثي لاستهداف أنواع معينة من الخلايا بشكل انتقائي داخل بنية واحدة. على سبيل المثال ، تنشيط الخلايا الحبيبية داخل الجزء الظهري من التلفيف المسنن الحصين توسط في تشفير ذكريات الخوف السياقية ، في حين أن تنشيط الخلايا الحبيبية في التلفيف المسنن البطني لم يكن له أي تأثير على تعلم الخوف السياقي ، ولكنه قمع القلق الفطري [61].

الأسباب والبيولوجيا الأساسية للاكتئاب معقدة ، مع وجود دوائر عصبية متعددة وأنظمة ناقل عصبي متورطة في هذا الاضطراب. تم تطوير عدد من نماذج الفئران للاكتئاب ، والتي تعتمد في الغالب على مبدأ العجز المكتسب. هذه هي الفكرة القائلة بأن الفرد المصاب بالاكتئاب سيكون أقل تحفيزًا لمحاولة الهروب من موقف غير سار مقارنة بالفرد السليم ، وسيصبح سريعًا مستسلمًا لمصيره. في "اختبار تعليق الذيل" ، ستكافح الفئران السليمة المقيدة من ذيولها وتحاول التخلص من الفئران "المكتئبة" إلى حد كبير. الفئران السليمة الموضوعة في دلو من الماء سوف تسبح حولها باستمرار بحثًا عن طريق هروب الفئران "المكتئبة" سوف تطفو بلا حراك على السطح.

بمساعدة الأساليب الدوائية أو الوراثية للحث على النمط الظاهري الشبيه بالاكتئاب في الفئران ، والاختبارات مثل اختبار تعليق الذيل كمقياس ناتج للسلوك ، يمكن بعد ذلك استخدام علم البصريات الوراثي للتحقيق في أمراض المرض الأساسية. يمكن استخدامه أيضًا لاكتساب فهم أفضل للآليات التي تعمل بها العلاجات المضادة للاكتئاب. وهكذا ، فإن إضاءة الخلايا العصبية المحلية التي تعبر عن ChR2 داخل قشرة الفص الجبهي الإنسي أنتجت تأثيرًا مضادًا للاكتئاب في الفئران [62] ، في حين أن التحكم ثنائي الاتجاه في عصبونات الدوبامين في الدماغ المتوسط ​​عدل بشكل ثنائي الاتجاه أعراض الاكتئاب استجابة للإجهاد المزمن [63]. أدى التحفيز البصري الوراثي للإطلاق الطوري ، ولكن ليس منشطًا ، للخلايا العصبية الدوبامينية في المنطقة السقيفية البطنية (VTA) إلى التعرض للاكتئاب في الفئران التي كانت تعاني من ضغوط الهزيمة الاجتماعية [64]. كانت هذه التأثيرات خاصة بالمسار: التنشيط المرحلي للخلايا العصبية VTA التي تظهر على النواة المتكئة ، ولكن ليس على PFC الإنسي ، تسبب في التعرض للإجهاد. من ناحية أخرى ، أدى تثبيط توقعات VTA-accumbens إلى المرونة.

إدمان المخدرات هو حالة انتكاسة مزمنة تتميز بالسعي القهري للمخدرات الذي يستمر على الرغم من العواقب الوخيمة. يُعتقد أن المواد المسببة للإدمان "تستحوذ" على نظام المكافأة الطبيعي للدماغ - ويتركز هذا على نظام الدوبامين الحوفي المتوسط ​​، والذي يمتد من المنطقة السقيفية البطنية (VTA) عبر حزمة الدماغ الأمامي الإنسي إلى النواة المتكئة. ومع ذلك ، فإن التفاصيل الدقيقة لكيفية قيام هذه الدائرة بوساطة المكافأة والإدمان غير واضحة.

تم استخدام إعادة التركيب بوساطة Cre لاستهداف تعبير opsin لمجموعات محددة من خلايا الدوبامين. يمكن بعد ذلك استخدام الاختبارات السلوكية مثل تفضيل المكان المشروط (CPP) - حيث يطور القوارض بسرعة تفضيلًا لبيئة مرتبطة بحدث مجزي على بيئة لم تكن كذلك - لدراسة آثار التلاعب البصري الوراثي لدائرة الدوبامين .

باستخدام هذه التقنية ، تبين أن التحفيز المرحلي ولكن ليس منشطًا لخلايا الدوبامين التي تعبر عن ChR2 داخل VTA كافٍ للحث على CPP [65]. داخل النواة المتكئة ، أدى تنشيط الخلايا العصبية التي تعبر عن النوع الفرعي D1 من مستقبلات الدوبامين إلى زيادة CPP للكوكايين ، في حين أن تنشيط الخلايا العصبية التي تعبر عن D2 كان له تأثير معاكس [66]. كان التنظيم الدقيق لإشارات البروتين G داخل المتكئين باستخدام OptoXR كافياً أيضًا لدفع CPP [67] ، في حين أن إسكات التنشيط الناجم عن الكوكايين للأعصاب الداخلية الكولينية داخل المتكئين كان كافياً لمنع CPP [68].

كان معروفًا منذ ما يقرب من 60 عامًا أن الحيوانات تضغط بشكل متكرر على رافعة لتوصيل تيار كهربائي إلى مراكز المكافأة في الدماغ (التحفيز الذاتي داخل الجمجمة) [69] ، ولكن لم يكن واضحًا أي أنواع الخلايا تتوسط في هذا التأثير. كشفت تجارب علم البصريات الوراثي أن الإسقاطات المثيرة من اللوزة القاعدية الوحشية إلى النواة المتكئة تدعم التحفيز الذاتي ، عبر آلية تعتمد على إشارات الدوبامين D1. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤدي التثبيط البصري الوراثي لهذه الألياف إلى تقليل استهلاك السكروز ، مما يشير إلى أن هذا المسار هو استجابة للمعززات الطبيعية أيضًا [70]. وقد ثبت أيضًا أن الحيوانات تقوم بالتحفيز البصري الوراثي الذاتي للخلايا العصبية الدوبامين في منطقة VTA [71]. إذا كان من الممكن استخدام التحفيز الذاتي البصري الوراثي كمعزز قوي وموثوق به ، فسيؤدي ذلك إلى تسهيل اختبار سلوك القوارض من خلال السماح باختبار الحيوانات عبر العديد من التجارب دون الحاجة إلى الحرمان من الطعام مسبقًا.

في الواقع ، تم بالفعل استخدام علم البصريات الوراثي لمقارنة قيمة المكافأة من معززات مختلفة. عُرض على الفئران الاختيار بين أخذ رشفات من زجاجة مياه للشرب - والتي تم إقرانها بالتنشيط البصري الوراثي للخلايا العصبية الدوبامينية - والمحليات الطبيعية أو الاصطناعية. فضلت الفئران التنشيط البصري الوراثي للخلايا العصبية الدوبامين على السكرالوز ، على الرغم من عدم وجود السكروز [72].

مرض باركنسون هو اضطراب تنكسي عصبي يتميز بالصلابة والرعشة وبطء الحركة. قدمت Optogenetics العديد من المساهمات القيمة لفهمنا لدوائر الدماغ التي تدعم الحركة ، في كل من الدماغ السليم والمريض. وهكذا قدمت علم البصريات الوراثي أول دليل تجريبي واضح للدور طويل الافتراض للمسارات المباشرة وغير المباشرة في المخطط للتحكم في الحركة. من خلال التعبير عن ChR2 في الخلايا العصبية الشوكية المتوسطة المخطط في نموذج فأر لمرض باركنسون ، تبين أن تنشيط المسار غير المباشر ينتج عنه حالة شبيهة بمرض باركنسون ، في حين أن تنشيط المسار المباشر يعكس أعراض مرض باركنسون [73].

لقد ثبت أن التحفيز العميق للدماغ لمكونات دائرة العقد القاعدية - على وجه الخصوص ، النواة تحت المهاد - يساعد في التخفيف من أعراض مرض باركنسون. الأساس الخلوي لهذا التأثير غير واضح إلى حد كبير ، ولكن التنشيط البصري الوراثي للألياف الواردة في النواة تحت المهدئ أدى أيضًا إلى تحسين أداء المحرك في نموذج الجرذ الهيمي-باركنسون [74]. والجدير بالذكر أن تحفيز أجسام الخلايا المحلية لم يكن له نفس التأثير ، مما يشير إلى أن التحفيز العميق للدماغ لدى المرضى من البشر يجب أن يستهدف في الغالب المحاور ومسارات المادة البيضاء. في الواقع ، قد تكون الحالة أن تدفق المعلومات بين مناطق الدماغ أكثر صلة بالأمراض النفسية والعصبية من نشاط مناطق الدماغ الفردية في حد ذاتها.

من الوسائل العلاجية الواعدة الأخرى لمرض باركنسون استخدام الخلايا العصبية الدوبامينية المشتقة من الخلايا الجذعية كبدائل للأنسجة المختلة في أدمغة المرضى. لاستكشاف مدى فعالية هذه الطعوم التي يمكن أن تتكامل في الدوائر الحالية ، قام تونيسن وزملاؤه بتطعيم الخلايا العصبية الدوبامينية المشتقة من الخلايا الجذعية في مزارع النمط العضوي لمخطط الفأر من النوع البري [75].

بعد تحضير المزارع ، استخدموا النقل الفيروسي لإدخال تشانيل رودوبسين والهالورودوبسين في الخلايا العصبية الدوبامينية التي تنتمي إما إلى المضيف أو الكسب غير المشروع. كشف تنشيط الخلايا وتثبيطها عن اتصال متشابك واسع النطاق داخل الكسب غير المشروع ، بالإضافة إلى تفاعلات متشابكة ثنائية الاتجاه معقدة بين الخلايا المضيفة وخلايا الكسب غير المشروع.

الصرع ، الذي ينشأ فيه نشاط متزامن مفرط في منطقة أو أكثر من مناطق الدماغ ، مما يؤدي إلى نوبة (أو "ملائمة") ، هو هدف رئيسي آخر لأبحاث علم البصريات الوراثي. يمكن أن تنتج نوبات الصرع عن فقدان الخلايا العصبية الداخلية المثبطة ، أو من إعادة التنظيم أو التقوية غير المناسبة للمسارات الاستثارة. في كلتا الحالتين ، قد يوفر استخدام هالورودوبسين أو مضخات البروتون لتخفيف النشاط العصبي الإيقاعي الشاذ الذي يحدث أثناء النوبات فوائد علاجية.تمشيا مع هذا ، فإن تنشيط NpHR في مزارع الحصين العضوية التي تم فيها تحفيز نشاط النوبة باستخدام التحفيز الكهربائي ، قلل بشكل كبير من انفجار الصرع [76]. علاوة على ذلك ، في نموذج الفأر من صرع الفص الصدغي ، في الجسم الحي تنشيط مجموعة سكانية فرعية من GABAergic interneurons ، أو تثبيط الخلايا الهرمية المثيرة ، توقف النوبات بسرعة [77]. يمكن أن ينشأ الصرع أحيانًا نتيجة لإعادة تنظيم الاتصالات بعيدة المدى داخل الدماغ بعد السكتة الدماغية. في الفئران ، أدى الاستهداف الوراثي البصري للخلايا العصبية المهادية التي كانت مرتبطة بمناطق القشرة الصرعية المصابة أيضًا إلى تقليل النوبات [78].

تم استخدام علم البصريات الوراثي لدراسة الأساس العصبي للنوم واضطرابات النوم. أدى التنشيط بوساطة ChR2 للخلايا العصبية التي تعبر عن الأوركسين / الهيبوكريتين في منطقة ما تحت المهاد الجانبي للفئران إلى زيادة التحولات من النوم إلى اليقظة [79] ، بما يتوافق مع التقارير التي تفيد بأن الخلل الوظيفي في هذه الخلايا العصبية مرتبط باضطراب النوم. في دراسة أخرى ، استخدم الباحثون التنشيط الناجم عن الضوء للخلايا العصبية orexin / hypocretin في منطقة ما تحت المهاد الجانبي لتفتيت النوم ، ووجدوا أن هذا ضعف أداء الذاكرة في مهمة التعرف على الأشياء الجديدة حتى عندما تم الحفاظ على مدة النوم الإجمالية [80].

الجهود جارية لاستخدام علم البصريات الوراثي لدراسة الآليات التي تدعم التعلم والذاكرة. هناك بعض الاقتراحات ، على سبيل المثال ، أن المسارات التي تتوسط في تكوين الذاكرة قد تظهر عدم تناسق داخل الدماغ. استخدم Kohl et al (2011) ChR2 لتنشيط محاور خلايا CA3 التي تنشأ في الحصين الأيمن أو الأيسر للفأرة. أدى تنشيط مدخلات CA3 من النصف المخي الأيسر إلى تقوية نقاط الاشتباك العصبي CA3 - CA1 (تقوية طويلة المدى) أكثر من تنشيط المدخلات المكافئة من النصف الأيمن. قد يعكس هذا الاختلافات في توزيع مستقبلات NR2B الجلوتاماتيكية بين نصفي الكرة الأرضية [81].

تم استخدام علم البصريات الوراثي لمعالجة وظائف جذع الدماغ والحبل الشوكي. وهكذا ، فإن تنشيط مجموعة من الخلايا العصبية داخل منطقة النخاع البطني من جذع الدماغ في الفئران المخدرة (المجموعة التنفسية الخلفية شبه المنحرفة) تسبب في الزفير النشط [82]. يمكن أن تؤدي إصابة الحبل الشوكي في كثير من الأحيان إلى عجز في الجهاز التنفسي بسبب تعطيل المدخلات الهابطة للخلايا العصبية الحركية التنفسية في النخاع الشوكي. ومع ذلك ، في نموذج القوارض لإصابة الحبل الشوكي ، يتم تحويل الخلايا العصبية في الحبل الشوكي باستخدام ChR2 ثم تنشيط هذه الخلايا العصبية بحركات إيقاعية مستعادة خفيفة للحجاب الحاجز. علاوة على ذلك ، استمر النشاط الإيقاعي بعد إطفاء الضوء ، مما يشير إلى استراتيجية علاجية جديدة لمعالجة ضعف الجهاز التنفسي في إصابة الحبل الشوكي [83].

تم الحصول على بيانات مشجعة فيما يتعلق بالتطبيقات العلاجية المحتملة لعلم البصريات الوراثي في ​​التهاب الشبكية الصباغي: مجموعة غير متجانسة من الأمراض التنكسية التقدمية التي يؤدي فيها فقدان المستقبلات الضوئية (العصي الأولى ثم المخاريط) إلى عمى عضال. يُقدر أن التهاب الشبكية الصباغي يصيب حوالي مليوني شخص في جميع أنحاء العالم. في نموذج الفأر للاضطراب ، فإن تحويل خلايا الشبكية الباقية مع ChR2 ثم تنشيط هذه الخلايا بالضوء أعاد قدرة شبكية العين على تحويل الضوء إلى إشارات كهربائية تم نقلها إلى القشرة البصرية [84]. أدت التلاعبات المماثلة إلى تحسين السلوك الموجه بصريًا في نموذج الفئران [85]. تنشيط ChR2 في الفئران والجرذان العمياء المعدلة وراثيا التي عبرت عن opsin في مجموعة فرعية فقط من الخلايا العقدية للشبكية أعاد أيضًا حساسية الضوء إلى شبكية العين وسمح بسلوك موجه بصريًا [5 ، 86].

بدلاً من استخدام تشانيل رودوبسين لتشغيل ما يسمى بالخلايا ثنائية القطب أو الخلايا العقدية للشبكية ، فإن الأسلوب البديل هو استخدام هالورودوبسين لاستهداف المخاريط المختلة وظيفيًا غير الحساسة للضوء والتي غالبًا ما تبقى في شبكية العين بعد موت العصي. سمح تبديل المخاريط باستخدام هالورودوبسين بإعادة حساسيتها للضوء ، واستعادة السلوك الموجه بصريًا في نموذجين من الفئران من التهاب الشبكية الصباغي. كما أعاد تنشيط المستقبلات الضوئية غير الحساسة للضوء في الإنسان خارج الجسم الحي شبكية العين [87].

تثير نتائج مثل هذه إمكانية استخدام علم البصريات الوراثي في ​​النهاية كأداة علاجية في البشر. لكن ما مدى معقولية هذا؟

يقترح Chow and Boyden [88] أنه يمكن استخدام علم البصريات الوراثي كتدخل علاجي في الظروف التي توجد فيها فائدة واضحة يمكن الحصول عليها من تشغيل أو إيقاف أنواع خلايا معينة ، والتي لا يتوفر لها بديل أفضل. بالإضافة إلى التهاب الشبكية الصباغي ، تشير مجموعة متزايدة من الأعمال في المختبر إلى أن هذا قد يشمل مرض باركنسون والصرع ، وربما حتى إصابة الحبل الشوكي.

ومع ذلك ، هناك عدد من المشاكل التي يجب التغلب عليها حتى يصبح هذا حقيقة ، كما يناقش تشاو وبويدن. سيتطلب العلاج البصري الوراثي توصيل التركيبات الجينية إلى الجسم عن طريق ناقل فيروسي ، لكن هذه التكنولوجيا بعيدة كل البعد عن أن تكون مثبتة بالكامل في البشر. بمجرد دخول الجسم ، يجب التعبير عن الأوبسين البكتيرية أو الطحلبية بثبات لأسابيع أو شهور أو حتى سنوات ، وهذا يمكن أن يؤدي إلى استجابة مناعية. يمكن استخدام الأوبسين البشري (على سبيل المثال ، الميلانوبسين أو رودوبسين) بدلاً من ذلك ، لكن هذه تستجيب للضوء بشكل أبطأ من نظيراتها الميكروبية. علاوة على ذلك ، في حين أن استخدام opsins البشرية من شأنه أن يتجنب الحاجة إلى نقل الجينات بين الأنواع ، إلا أنه لن يتغلب على المخاطر المحتملة المرتبطة بطفرات الإدخال حيث تندمج التركيبات المهندسة في الجينوم.

علاوة على ذلك ، من المهم أن نتذكر أن الخلايا هي مكونات لشبكات شديدة التعقيد. من المحتمل أن يكون لتغيير وظيفة أي خلية واحدة (أو مجموعة من الخلايا) تأثيرات غير مباشرة على نشاط الآخرين. قد يفسر هذا سبب اكتشاف أن الضوء يمنع - بدلاً من تنشيط - مجموعة من الخلايا العصبية الهرمية التي تعبر عن ChR2 أثناء التسجيلات من القشرة الأمامية لقرد ريسوس مستيقظ [89]. لذلك يجب أن تضمن التطبيقات العلاجية لعلم البصريات الوراثي في ​​البشر أن أي آثار مفيدة لا تطغى عليها الآثار الضارّة في أماكن أخرى.

تم تطبيق تقنيات علم البصريات الوراثي لإصلاح نشاط منظم ضربات القلب في عضلة القلب التالفة. على وجه الخصوص ، تم استخدام ChR2 ، الذي يمكن تنشيطه بالضوء ، لتحفيز واستقطاب خلايا عضلة القلب في الثقافة و في الجسم الحي [90]. أظهرت دراسة أخرى تحفيز الخلايا العضلية القلبية للفئران عن طريق إدخال جين ChR2 الذي تم إدخاله في ناقل الفيروس 9 المرتبط بالغدية [91]. تم استخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء أحادي اللون 450 نانومتر لإنتاج ومضات للجين المحور ChR2 ، مما تسبب في تحفيز البطينين. علاوة على ذلك ، يمكن تطبيق طرق علم البصريات الوراثي لإنهاء عدم انتظام ضربات القلب البطيني. الإنهاء الفعال لعدم انتظام ضربات القلب المستحث تجريبياً في خلايا عضلة القلب في الفئران Wistar ، والتي عبرت عن قناة رودوبسين الحمراء القابلة للتنشيط (ReaChR). تم استخدام ناقل فيروسي موجه للقلب لإيصال ReaChR [92]. تمشيا مع هذه البيانات ، أدى الضوء الأحمر بشكل فعال إلى توقف عدم انتظام ضربات القلب البطيني في الفئران المعدلة وراثيا ChR2 [93]. يعتبر النقل الفيروسي من أكثر الطرق فعالية للتعبير عن البروتينات الخارجية في الخلايا الثديية. علاوة على ذلك ، تم اقتراح الميلانوبسين أيضًا لدراسات التسبب في عدم انتظام ضربات القلب. تنشيط الضوء الأزرق بوساطة الميلانوبسين يحفز إفراز فسفوليباز C ، Ca 2+ وتأثيرات تنظيم ضربات القلب التلقائية [94].

تم تطوير العديد من الاستراتيجيات العلاجية الجديدة لمرض السكري باستخدام علم البصريات الوراثي. انتم في ال. وصف طريقة التحكم بالضوء الأزرق للتحكم في مستوى الجلوكوز في الدم [95]. تم التعبير عن الميلانوبسين ، الذي يستجيب للضوء الأزرق ، في خلايا HEK-293. حفز الميلانوبسين المنشط المسارات التي تنظم توازن الجلوكوز. عندما تم زرع الخلايا التي تعبر عن الميلانوبسين في نموذج الفئران لمرض السكري ، أظهرت الحيوانات مستوى متوازن من الجلوكوز. بالإضافة إلى ذلك ، تم وصف جهاز LightOn الوراثي البصري ، والذي يحتوي على مجال حساس للضوء الأزرق ، بواسطة Wang et al [96]. تم إدخال جهاز LightOn في الفئران المصابة بداء السكري ، والذي أظهر تنشيطًا لإنتاج الأنسولين استجابة للضوء الأزرق. أيضًا ، تم التحكم في إنتاج الأنسولين بالإشعاع الخفيف دون تدخل تحلل السكر عن طريق تحفيز التعبير ChR2 في خلايا بيتا البنكرياس [97].

منذ أن تم استخدام channelrhodopsin لأول مرة للتحكم في نشاط الخلايا العصبية للثدييات في عام 2005 ، تم إحراز قدر كبير من التقدم في فترة زمنية قصيرة. بفضل علم البصريات الوراثي ، أصبح من الممكن زيادة أو تقليل نشاط مجموعات عصبية معينة في مناطق دماغية متعددة حسب الطلب. قدمت Optogenetics رؤى آلية لمجموعة من الأمراض النفسية والعصبية البشرية ، ومن المرجح أن يتوسع تأثيرها أكثر حيث تسمح الأدوات الجديدة بتطبيق التقنية على نطاق أوسع من الخلايا. تم الحصول على بيانات مشجعة من استخدام علم البصريات الوراثي كتدخل علاجي في النماذج الحيوانية للأمراض البشرية ، على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير من العمل قبل أن يتم نقل مثل هذا النهج إلى المرضى من البشر.

ساهم الدكتور كونستانتين ياكيمتشوك في قسم "التطبيقات العلاجية المحتملة لعلم البصريات الوراثي في ​​أمراض القلب والغدد الصماء" في أكتوبر 2018.


أسلاك الدماغ

لقد كنت مهووسًا بنفس هذه الأسئلة بنفسي.

أعتقد أن هذه حاجة كبيرة وفرصة لرسم & quotthe للصورة الكبيرة & quot ؛ والتي من شأنها أن تستند إلى الفهم العلمي للواقع ، وتكون مفيدة للعلماء - وهو أمر كان من الممكن أن تفعله الفلسفة ، لكن لم تفعله في الوقت الحالي.

كما يقول فاينمان في هذه المقابلة ، كل شيء هو مجرد ذرات & مثل:

ولكن الشيء الذي غالبًا ما يُنسى لسبب غير مفهوم ، هو أن الصورة الذرية المجهرية ليست & quot ؛ عدالة في الفيزياء. & quot ؛ بشكل حاسم ، * ترتيب * الذرات يحدد كيف تضيف الأفعال الأولية والأساسية معًا أو تلغي بعضها البعض.

وبالتالي ، فإن الوصف المجهري الفعلي هو:
(الهيكل / الحالة الكاملة للنظام) x (القوانين الأساسية التي تجعله يعمل)

هذا يعني ببساطة أن تاريخ التطور (الحالة / البنية) لا ينبع من القوانين الأساسية للفيزياء - إنه يعتمد بنفس القدر على (الحالة / البنية) نفسها. (وهو ما يحدد كيفية جمع الإجراءات الأساسية والأساسية معًا أو إلغاء بعضها البعض ، وبذلك يتم تعديل الحالة / الهيكل - مما يؤدي إلى إنشاء ديناميكيات النظام.)

بدون وصف (الحالة / البنية) ، لا تصف الفيزياء الأساسية * عالمنا * ، ولكنها تصف فقط جميع العوالم الممكنة المتوافقة مع قوانين الفيزياء.

(من المفارقات ، أن مجموعة & quotall التي يمكن أن تكون & quot هي شيء أقل تعقيدًا بكثير من أي فرد من أعضائها: فكر في مكتبة جميع السلاسل - يمكن تحديدها بشكل تافه ، ولا تحتوي على أي معلومات تقريبًا. فعل اختيار & quotbook & quot هو ما يخلق المعلومات الواردة فيه.)

وبالتالي ، فإن & الاقتباس & الاقتباس لقوانين الفيزياء غير ممكن. يجب أن ندرج تاريخ التطور (الهيكل / الدولة) كما يتكشف في الواقع. (أو على الأقل نقاط الانطلاق الرئيسية لهذا التاريخ والتي تربطه بمسار معين من التطور).

بالطبع ، كانت الطبيعة موجودة قبل وقت طويل من ظهور الحياة والبشر.

ليس دائمًا ، ولكن في العديد من الحالات المهمة ، تخلق الديناميكيات هياكل & quot ؛ متكتلة & quot ؛ وعمل يقتصر على قنوات ضيقة & quot ؛ & quot ؛ تقدم الذرات والكواكب ودوران الغلاف الجوي والكائنات الحية أمثلة على هذه الكتل والقنوات. & quot؛ قياس العمل & quot في الطبيعة هو شبكات التفاعلات الكيميائية ، وربط الأنهار على الكوكب ، إلخ ، إلخ:

يعني التكتل والتوجيه أن تطور الحالة / الهيكل يقتصر على مشعب صغير داخل فضاء حالته المجهرية الكاملة. يمثل هذا المنوع البنية العيانية للواقع ، ويأتي مع قواعد العمل الخاصة به.

إن تمييز المبادئ الأساسية لبنية الواقع ، من وجهة نظري ، هو الأساس الضروري لرسم الصورة الكبيرة للحياة والتطور والإدراك.

شكرا لتعليقاتك وأفكارك. أنا أتفق تماما. تكمن المشكلة في محاولة تعريف وفهم قواعد العمل أو المبادئ التنظيمية الأساسية للكائنات الحية - ما الذي يجعلها على ما هي عليه وليس بطريقة أخرى؟ ما الذي يمنحهم الخصائص الناشئة للحياة ، بما في ذلك الفاعلية والوعي في النهاية؟ هذه أسئلة فلسفية ولكن لها آثار عملية واضحة من حيث أننا نحرز تقدمًا حقيقيًا نحو فهم الكائنات الحية جيدًا بما يكفي للتنبؤ بأشياء مثل آثار الطفرات في جين معين ، وتأثير دواء جديد وكيف يمكن للنظام أن يستجيب له ، علم الأمراض الناشئ في اضطرابات النمو العصبي والأسباب النهائية لأنماط علم النفس المرضي الملحوظ ، إلخ ، إلخ.

سوات جميلة أخرى في التعقيد - شكراً جزيلاً ، كيفن ، خاصةً على المراجع والرسوم ، التي انحرفتني بشكل غير ملائم عن حياتي الطبيعية. في بعض الأحيان يكون شعورًا رائعًا أن تشعر بالتخلف عن الركب ، على الأقل عندما يتم تسليم الخرائط والنصوص التشعبية.

& gt تحدد وتفهم قواعد العمل أو المبادئ التنظيمية الأساسية للكائنات الحية - ما الذي يجعلها على ما هي عليه وليس بطريقة أخرى؟ ما الذي يمنحهم الخصائص الناشئة للحياة ، بما في ذلك الفاعلية والوعي في النهاية؟ هذه أسئلة فلسفية

إذا كنا قد قلبنا هذا رأساً على عقب لحظة & # 8211 يجب على المرء أن يجادل من حين لآخر بأنهم ليسوا أسئلة فلسفية على الإطلاق ، ولكن أسئلة عملية قد يبني عليها الفلاسفة بشكل مثمر ، إذا انتبهوا وتصرفوا. ما أجده مثيرًا حول تقييم الأنظمة البيولوجية هو القدرة على حظر خطوط البحث الفلسفية التي تتعارض مع النتائج (خاصة فلسفة البوب) ، وتسليط الضوء على الأبعاد الفلسفية غير المتخيلة من خلال الاستفادة من الدهور الطويلة من الضرب والإخفاق. جعلنا نحن الأحياء ناجحين ومعقدين بشكل لا يصدق. إن البناء مما يحدث بالفعل في أنظمتنا الحية سيضع افتراضات غير مجدية وأقل فائدة وأكثر فائدة موجودة في طبقات وطبقات التجريد ومستويات التحليل التي تشكل مفاهيم الإرادة والوعي.

لا شعوريًا ، نحن جميعًا نتضايق من فكرة كوننا آلات ناعمة ، وأظن أنها نتيجة ثانوية لتحسينات الاختيار الأساسية للغاية ، وهي نفس التحسينات التي شجعت كلاً من التدين والتنوع العملي داخل السكان. هذا الإحجام عن & quotname & quot لأنفسنا كآلات يجعلنا نفصل بشكل غير ملائم بين الجوانب غير البشرية للسلوك ، والإرادة والوعي ، وإصداراتنا الخاصة. هذا التقسيم له تأثير جانبي يتمثل في فتن الإرادة والوعي ، بدلاً من رؤيتهما على أنهما امتدادات معقدة / ديناميكية للمبادئ الأولى. على النقيض من ذلك ، فإن البناء على هذه التجريدات من علم الأحياء يسمح لنا برؤيتها على أنها امتدادات طبيعية للقوة والدوائر الأساسية ، ومعرفة كيف يملي العالم الطبيعي فلسفاته العملية. لقد حققت قيمة & # 39is ويجب & # 39 نجاحًا لا يصدق في علم الأحياء ، ومع ذلك فإننا ننظر باستمرار إلى ما وراء أنفسنا على أنه أمر مكتوب لإيجاد التماسك والمعنى. إن إنكار أنفسنا كآلية ناجحة بشكل مثير للدهشة يدفعنا إلى الشعور بالارتباط بالآلهة بدلاً من ذلك ، أو ما هو أسوأ من ذلك ، فإنه يبرر النجاحات المأساوية والمحددة بشكل ضيق & quot؛ لإرساء المعنى. نتائج مثل هذه النمذجة السيئة ، في عالم أكثر ترابطا ، تزداد سمية وغير قابلة للتطبيق.

ستكون القوة والمتعة الكامنة في الطبيعة السيبرانية والاجتماعية للحياة واحدة من الأعمال العظيمة للخلط بين العلوم الناعمة والصلبة في العقود القادمة. هل ستحصل على كلمتها في البناء على مقتضياتنا ، تمامًا كما أصر البراغماتيون على أنه يجب أن يحدث منذ نهاية القرن التاسع عشر ، عندما ذهب الله وراء نظام الدفع.

شكرًا سكوت - أعتقد أنك على حق تمامًا في الواقع. إذا تعاملنا مع هذه الأسئلة بطريقة علمية مبدئية ، فيمكننا تحديد أشياء مثل ظهور الفاعلية وحتى الوعي في نهاية المطاف ، وسوف نحدد بشكل حاد المناقشات الفلسفية التي لا حدود لها والتي لا تنتهي أبدًا لهذه الموضوعات.

يذهلني كم من الأدبيات الفلسفية حول أشياء مثل الإرادة الحرة غير مدروسة بفهمنا المتزايد للآليات الفعلية لصنع القرار - ليس فقط على المستوى العصبي ، حيث نحقق تقدمًا حقيقيًا ، ولكن من حيث أنواع الحسابات والعمليات التي تحدث ، والتي يمكنك رؤيتها حتى عند المستويات المنخفضة مثل الانجذاب الكيميائي البكتيري ، أو تشغيل أوبرون lac. هناك مبادئ أساسية مشتركة للاستكشاف مقابل الاستغلال ، وتكامل وتراكم الأدلة ، وتقدير الثقة ، والمقاييس الداخلية للمنفعة ، وما إلى ذلك ، والتي يمكن رؤيتها مطبقة في جميع أنواع القرارات هذه ، من الأقل إلى الأكثر تعقيدًا.

وبالطبع ، هناك العديد من الأشخاص الذين يعملون على استخلاص هذه المبادئ ، ولكن بطريقة ما تظل هذه الجهود خارج التيار السائد في علم الأحياء - وبالتأكيد في كيفية تعليم الطلاب. حان الوقت للمحاولة والقيام بعمل أفضل!

& gt الآن نحن نغرق في البيانات.

هذا ليس من العدل تمامًا أن نقول ، لكنه يقلل من التحدي الأكبر الذي يواجهه المتعددين في الوقت الحاضر ، بعد أن عرفنا المزيد ، لتأسيس مبادئ النظام. هناك تطور طبيعي في أي مشروع على أي نطاق لمعرفة القليل جدًا ، وتنظيمه بشغف ، ورفض ذلك لصالح الواقع ، ثم التبسيط مرة أخرى بطريقة أكثر تعقيدًا ودقة. لقد تمسكت بهذه الخطوة الأخيرة ، وتقوم بعمل رائع معها بشكل أفضل بكثير مما يفعله الفيزيائيون.

وانظر إلى مدى صعوبة وتعدد التخصصات العلمية القوية للتنظيم ، في عالم غالبًا ما تهيمن عليه ديناميكيات غير خطية من أنواع مختلفة. اختر أي عالمين على الرسم البياني الذي أرسلته ، واطلب من عالم فيزياء ، أو عالم نفس ، أو حتى عالم أحياء / إحصائي أن يفهموا عملهم دون عمل غير عادي ، وسوف يفشلون. نحن لا نحارب فقط الكتل المعرفية العميقة في التفكير متعدد التخصصات ، ولكن أيضًا الجوهر الصعب للطبيعة المعقدة للواقع ، والتي دفعتنا إلى النظر في العاصفة للمرة الأولى ، عادةً بدون التعليم الأساسي للقيام بذلك بشكل مفيد.

غير مرتبط - يرتبط مفهوم القوة بمفهوم الإرادة ، بالمعنى الواسع لتقليل احتمالات الوصول إلى شيء ناجح. في الاختيار ، وكيل الإرادة هو رفض الأنظمة غير القابلة للتطبيق طوليًا ، تمامًا مثل الصياد & # 39 يرفض & # 39 هيل ودايل في طريقه إلى النجاح. يعجبني هذا الارتباط ، فهو يجعل الإرادة امتدادًا طبيعيًا للقوة ، مما يجعل مفهومها أبسط وأكثر قوة بالنسبة لي.

شكرًا سكوت - مشكلة الرؤية عبر التخصصات هذه هي بالضبط المشكلة التي أعتقد أننا بحاجة إلى معالجتها ، بشكل أساسي ، في تعليم علم الأحياء المبكر. كيف يمكننا أن نتوقع من الطلاب فهم وجهات النظر خارج المجالات التخصصية الضيقة التي سينتهون بها حتمًا إذا لم نبذل أي جهد لجعلهم على دراية بالمبادئ المفاهيمية العميقة التي تلعبها في جميع المجالات؟ بالطبع ، تم تدريب معظم محاضري الأحياء بهذه الطريقة بأنفسهم. حتى داخل التخصصات ، فإن درجة التخصص المطلوبة لإحراز تقدم (تقدم واضح على الأقل) في البحث شديدة.نظرًا لأن هذا هو ما يتم تقييمه في طلبات المنح ، والترقيات ، وما إلى ذلك ، فإن المتخصصين العامين يعانون من نقص في المعروض. (وأعتقد أن الموسيقيين الحقيقيين أصبحوا شيئًا من الماضي - هناك الكثير مما يجب معرفته!)

بصفتي طالب دكتوراه في تعليم الأحياء (تدريب المعلمين) ، أتفق تمامًا مع بيانك حول وجهات النظر هذه في كيفية تدريس علم الأحياء. بمعنى آخر. علم التعقيد بعيد عن الفصول الدراسية الحالية ونحن بحاجة إلى تغيير ذلك. يسلط الملصق الذي قدمناه مؤخرًا في جمعية التطور الثقافي الضوء على نهج البحث القائم على التصميم لنقل تدريب المعلمين وأنشطة الفصل الدراسي في هذا الاتجاه بالضبط.
https://www.researchgate.net/publication/319644966_Cultural_Evolution_in_the_Biology_Classroom_A_Design-Based_Research_Model_in_Education_for_Sustainable_Development

شكرًا داستن - يبدو مثيرًا للاهتمام حقًا.

الاكتشاف الأساسي لبيولوجيا الأنظمة هو أنه لا يتم استخدام سوى مجموعة فرعية صغيرة جدًا من أشكال الشبكة الممكنة وأن هذه الأشكال تتكرر في جميع أنواع الأنظمة المختلفة ، من النسخ إلى الكيمياء الحيوية إلى الشبكات العصبية. هذا لأن تلك الترتيبات من التفاعلات فقط تؤدي بشكل فعال بعض العمليات المفيدة ، والتي تكمن وراء بعض الوظائف الضرورية على المستوى الخلوي أو العضوي.

حسنًا ، ربما ، لكن ما أفهمه هو أنه بالنسبة لجميع الأنظمة تقريبًا ، ليس لدينا معلومات كافية لوصف كيفية عمل النظام بشكل كامل. يبدو أن معظم الدراسات العلمية تعطي رؤية غير مباشرة وتقريبية لجانب واحد من كيفية عمل النظام. (ومن المحتمل أن يكون تسمية أي نظام ما سخاءً بعض الشيء لأن جميع العمليات البيولوجية تفاعلية بشكل كبير لدرجة أن عزل جزء واحد من الكل هو بالفعل تبسيط.) باستخدام هذه الأجزاء الصغيرة من المعرفة التقريبية ، من الممكن بناء مخطط مبسط وصديق للإنسان السرد الذي يجمع مجموعة من المركبات العضوية كما لو كانت تعمل كنوع من الدوائر البيولوجية المطبوعة. لكن الأمر ليس كذلك حقًا ، ونحن نعلم أنه ليس كذلك. كلما تحرك المرء نحو تفسيرات الأنظمة ، كلما ابتعد العلم عن الكيمياء وأقرب إلى الاقتصاد. إنه منظور مثير للاهتمام ولكني لست مقتنعًا بأنه سيعطينا فهمًا أوضح لما يحدث. وأعتقد أن هناك مخاطرة في أن يكتسب المرء نظرة خادعة بدلاً من رؤية حقيقية.

& quot هذا يعني أن المعلومات يتم تفسيرها في سياق حالة الخلية أو الكائن الحي بأكمله ، والذي يتضمن سجلًا أو ذاكرة للحالات السابقة ، بالإضافة إلى القرارات والنتائج السابقة. إنها ليست مجرد رسالة يتم نشرها من خلال النظام & # 8211 ، إنها تعني شيئًا ما للمستقبل وهذا المعنى لا يتوارث فقط في الرسالة نفسها ، ولكن في تاريخ وحالة المتلقي (سواء كان ذلك بروتينًا أو خلية ، مجموعة من الخلايا ، أو الكائن كله). & quot

أخشى أنني لا أشتري هذا حقًا. لست متأكدًا حقًا من أن جميع الكائنات الحية لديها نموذج عن نفسها وبيئتها. أنا بالتأكيد أحجم عن فكرة أن معظم الخلايا لديها ذاكرة بأي معنى ذي معنى ، وبالتأكيد ليس من قراراتهم ونتائجهم السابقة & quot. أحتاج أيضًا إلى القليل من الإقناع بأن تاريخ البروتين كان مهمًا ، وليس حالته.

أشعر أن هذا المقال يصف الطريقة التي قد تكون عليها الأشياء ولكن في الواقع نحن بعيدون جدًا عن امتلاك بيانات كافية من العالم الحقيقي لنقول كيف تسير الأمور في الواقع. يبدو أنه كلما اكتشفنا المزيد من البيولوجيا ، تزداد الأمور تعقيدًا. أتوقع أن نكون قادرين على وصف الأنظمة التي تقدم ملخصًا للأحداث التجريبية التي نلاحظها ، مثل تصاعد الاستجابة المناعية ، وأننا سنكتسب رؤى حول الجوانب المجهرية لتلك الأنظمة. لكنني أشك في أننا سنصل إلى مرحلة يكون لدينا فيها فهم نظري قوي للسمات الرئيسية التي تربط بين الظواهر المجهرية والعيانية. لدينا دائمًا مجموعة من النظريات التي تبدو معقولة وسنختار بينها بناءً على أيها يناسب البيانات التي تمت ملاحظتها بدقة أكبر. ما أفهمه هو أننا لسنا حتى في وضع يسمح لنا بفهم كيف تحقق الشبكة العصبية المدربة وظيفتها على الرغم من أنه يمكننا فحص كل جانب منها وعلى الرغم من أنها تتمتع ببنية بسيطة للغاية.

أفترض أن مهمة فهم العمليات البيولوجية بشكل صحيح هي مهمة ميؤوس منها. لذا فإننا بدلاً من ذلك نعمل بشكل عملي لمحاولة فهم أجزاء صغيرة حول البتات المهمة التي قد يكون لها بعض التطبيقات المفيدة. أعتقد أنه إذا نظرنا إلى الأشياء بشكل أساسي كنظم ، فقد لا نكون جيدين جدًا في فهم أو توقع كيف ولماذا تتوقف عن العمل بشكل صحيح.

شكرا ديف. أعتقد أن شكوكك لها ما يبررها إلى حد ما ، لكنني أكثر تفاؤلاً منك. أنا لا أدعو إلى التخلي عن التجارب على المكونات المعزولة - لا على الإطلاق. ما أقترحه هو أن تصميم وتفسير مثل هذه التجارب سوف يتقدمان بشكل كبير من خلال النظر في مبادئ الأنظمة الأكثر تجريدًا المتضمنة - من خلال محاولة معرفة ما يفعله النظام * ، وليس مجرد وصف ما يحدث.

إذا كان الهدف هو الحصول على بعض القدرة التنبؤية حول كيف ولماذا تفشل الأنظمة ، فإنني سأقول أن النهج الاختزالي البحت نفسه كان فشلًا ذريعًا. على سبيل المثال ، لدينا عدد قليل من الأدوية الجديدة كل عام ، بعضها مصمم خصيصًا لاستهداف جزيئات معينة. ولكن لكل نجاح ، لدينا المئات التي تفشل في التجارب قبل السريرية أو السريرية ، غالبًا بسبب بعض التأثيرات غير المتوقعة على مستوى الأنظمة.

بالنسبة لي ، يوفر منظور الأنظمة تكملة لدراسة المكونات المعزولة تجريبياً. هذه ليست معزولة في الواقع ، كما أشرت ، ولكن من الممكن تمييز الوحدات النمطية والزخارف التي تؤدي وظائف محددة ، مع ديناميكيات محددة وعلاقات المدخلات والمخرجات ، ثم بناء أنظمة أكبر من تلك المكونات (حيث المستوى الأعلى & quchunk & quot؛ المعلومات من مستويات أقل ، لا تهتم بالتفاصيل).

بالطبع ، من الممكن صنع نماذج رياضية لطيفة لأنظمة معقدة وخداع أنفسنا للاعتقاد بأننا نفهمها. لكن مثل هذه النماذج يجب أن تقدم تنبؤات قابلة للاختبار ويمكن صقلها أو رفضها بناءً على النتائج التجريبية الجديدة. هذه الدورة من البيانات - ونظرية GT - وتوقع GT - وبيانات GT - ونظرية GT الجديدة هي بالتأكيد أقوى من النظام أحادي الاتجاه الذي يشارك فيه معظمنا حاليًا: البيانات - & gt المزيد من البيانات - & gt المزيد من البيانات - & gt umm. مزيد من البيانات؟


شاهد الفيديو: الليزر 36 - البصريات اللاخطية nonlinear optics (أغسطس 2022).