تعتمد على علم البصريات الوراثي.. استخدام الضوء لمعالجة استثارة الخلايا العصبية
تتيح أداة جديدة تعتمد على علم البصريات الوراثي للباحثين التحكم في كيفية استجابة الخلايا العصبية للمدخلات الكهربائية.
منذ ما يقرب من 20 عامًا، طور العلماء طرقًا لتحفيز الخلايا العصبية أو إسكاتها من خلال تسليط الضوء عليها. تسمح هذه التقنية، المعروفة باسم علم البصريات الوراثي، للباحثين باكتشاف وظائف خلايا عصبية معينة وكيفية تواصلها مع الخلايا العصبية الأخرى لتشكيل دوائر.
بناءً على هذه التقنية، ابتكر باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد طريقة لتحقيق تغييرات طويلة المدى في نشاط الخلايا العصبية. من خلال استراتيجيتهم الجديدة، يمكنهم استخدام التعرض للضوء لتغيير السعة الكهربائية لأغشية الخلايا العصبية، مما يغير استثارتهم (مدى قوة أو ضعف استجابتهم للإشارات الكهربائية والفسيولوجية).
تم ربط التغيرات في استثارة الخلايا العصبية بالعديد من العمليات في الدماغ، بما في ذلك التعلم والشيخوخة، وقد لوحظت أيضًا في بعض اضطرابات الدماغ، بما في ذلك مرض الزهايمر.
“تم تصميم هذه الأداة الجديدة لضبط استثارة الخلايا العصبية لأعلى ولأسفل بطريقة يمكن التحكم فيها بالضوء وطويلة المدى، مما سيمكن العلماء من تحديد السببية بين استثارة أنواع الخلايا العصبية المختلفة وسلوك الحيوانات”، كما يقول Xiao Wang، توماس د. وفيرجينيا كابوت أستاذ مساعد في الكيمياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وعضو في معهد برود لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد. “سيحدد التطبيق المستقبلي لنهجنا في نماذج المرض ما إذا كان الضبط الدقيق لاستثارة الخلايا العصبية يمكن أن يساعد في إعادة ضبط دارات الدماغ غير الطبيعية إلى وضعها الطبيعي.”
وانج وجيا ليو، الأستاذ المساعد في كلية هارفارد للهندسة والعلوم التطبيقية، هما من كبار مؤلفي الورقة البحثية، التي تظهر اليوم في Science Advances .
تشانان سيسلر، طالب دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في قسم الكيمياء. ييمينغ زو، باحث ما بعد الدكتوراة في معهد برود. و Wenbo Wang، طالب دراسات عليا في جامعة هارفارد ، هما المؤلفان الرئيسيان للبحث.
التلاعب بالغشاء
علم البصريات الوراثي هو أداة يستخدمها العلماء لمعالجة نشاط الخلايا العصبية، من خلال هندستها للتعبير عن قنوات الأيونات الحساسة للضوء. عندما تتعرض تلك الخلايا العصبية المهندسة للضوء، فإن التغيرات في تدفق الأيونات عبر القنوات تكبح أو تعزز نشاط الخلايا العصبية.
“باستخدام الضوء، يمكنك إما فتح أو إغلاق هذه القنوات الأيونية، وهذا بدوره سيثير أو يسكت الخلايا العصبية. يسمح ذلك باستجابة سريعة في الوقت الفعلي، ولكن هذا يعني أنه إذا كنت تريد التحكم في هذه الخلايا العصبية، فعليك أن تضيءها باستمرار “، كما يقول سيسلر.
شرع فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد في تعديل التقنية حتى يتمكنوا من إحداث تغييرات طويلة الأمد في الإثارة، بدلاً من التنشيط العابر أو قمع النشاط. للقيام بذلك، ركزوا على تغيير سعة غشاء الخلية، وهو عامل محدد رئيسي لقدرة الغشاء على توصيل الكهرباء.
عندما تزداد سعة غشاء الخلية، تصبح الخلايا العصبية أقل إثارة – أي أقل احتمالية لإطلاق جهد فعل استجابة لمدخلات من خلايا أخرى. عندما تنخفض السعة، تصبح الخلايا العصبية أكثر إثارة.
“إن استثارة الخلايا العصبية تحكمها خاصيتان غشائيتان: الموصلية والسعة. في حين أن العديد من الدراسات ركزت على الموصلية الغشائية التي تنفذها القنوات الأيونية، فإن عمليات تكوين النخاع التي تحدث بشكل طبيعي تشير إلى أن تعديل سعة الغشاء هو طريقة فعالة أخرى لضبط استثارة الخلايا العصبية أثناء نمو الدماغ، التعلم والشيخوخة. لذا، تساءلنا عما إذا كان بإمكاننا ضبط استثارة الخلايا العصبية عن طريق تغيير سعة الغشاء “، كما يقول ليو.
أثناء دراسته لما بعد الدكتوراة في جامعة ستانفورد، أظهر ليو وزملاؤه أن بإمكانهم تغيير استثارة الخلايا العصبية عن طريق حثهم على تجميع بوليمرات موصلة أو عازلة في أغشيتها. في تلك الدراسة، التي نُشرت في عام 2020، استخدم ليو إنزيمًا يسمى بيروكسيديز لتجميع البوليمرات. ومع ذلك، لم يسمح هذا النهج بالتحكم الدقيق في مكان تراكم البوليمرات. كما أنها تشكل بعض المخاطر لأن التفاعل يتطلب بيروكسيد الهيدروجين، والذي يمكن أن يدمر الخلايا.
للتغلب على هذه القيود، تعاون مختبر ليو في جامعة هارفارد مع مختبر وانغ MIT لتجربة نهج جديد. بدلاً من استخدام البيروكسيداز، استخدم الباحثون بروتينًا حساسًا للضوء معدَّل وراثيًا يمكنه تحفيز تكوين البوليمرات.
من خلال العمل مع الخلايا العصبية التي نمت في طبق المختبر، صمم الباحثون الخلايا للتعبير عن هذا البروتين الحساس للضوء، والمعروف باسم miniSOG. عندما يتم تنشيطه بواسطة أطوال موجية زرقاء من الضوء، ينتج miniSOG جزيئات عالية التفاعل تسمى أنواع الأكسجين التفاعلية. في الوقت نفسه، عرّض الباحثون الخلايا لبنات بناء إما بوليمر موصل، يُعرف باسم PANI، أو بوليمر عازل، يُعرف باسم PDAB.
بعد عدة دقائق من التعرض للضوء، تحفز أنواع الأكسجين التفاعلية تلك اللبنات الأساسية على التجمع إما في PDAB أو PANI.
باستخدام تقنية تُعرف باسم مشبك التصحيح للخلية الكاملة، وجد الباحثون أن الخلايا العصبية التي تحتوي على بوليمرات PANI الموصلة أصبحت أقل إثارة، بينما أصبحت الخلايا العصبية التي تحتوي على بوليمرات PDAB العازلة أكثر إثارة. ووجدوا أيضًا أن التعرض للضوء الأطول أدى إلى تحولات أكبر في الاستثارة.
يقول تشو: “تتمثل ميزة البلمرة الضوئية الوراثية في التحكم الزمني الدقيق في تفاعل البلمرة، والذي يسمح بضبط متدرج يمكن التنبؤ به لخصائص الغشاء”.
تغييرات طويلة الأمد
أظهر الباحثون أن التغييرات في الاستثارة استمرت لمدة تصل إلى ثلاثة أيام، وهي ما دامت قادرة على إبقاء الخلايا العصبية على قيد الحياة في طبق المختبر. إنهم يعملون الآن على تكييف هذه التقنية بحيث يمكن استخدامها في شرائح من أنسجة المخ ثم، كما يأملون، في أدمغة الحيوانات مثل الفئران أو دودة C. elegans .
يقول الباحثون إن مثل هذه الدراسات التي أجريت على الحيوانات يمكن أن تساعد في إلقاء الضوء على كيفية تأثير التغيرات في استثارة الخلايا العصبية على اضطرابات مثل التصلب المتعدد ومرض الزهايمر.
“إذا كان لدينا مجموعة معينة من الخلايا العصبية التي نعلم أنها تتمتع باستثارة أعلى أو أقل في مرض معين، فيمكننا تعديل هذه المجموعة عن طريق تحويل الفئران بأحد هذه البروتينات المحسسة للضوء التي يتم التعبير عنها فقط في هذا النوع من الخلايا العصبية، ثم معرفة ما إذا كان ذلك التأثير المطلوب على السلوك، “يقول وينبو وانج. “في المستقبل القريب، سنستخدمه أكثر كنموذج للتحقيق في تلك الأمراض، ولكن يمكنك تخيل التطبيقات العلاجية المحتملة.”
تم تمويل البحث من قبل برنامج Searle Scholars، ومركز ستانلي لأبحاث الطب النفسي في معهد Broad ، ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي ، وبرنامج المحقق الشاب، ومؤسسة العلوم الوطنية من خلال مركز علوم وهندسة المواد بجامعة هارفارد، وجامعة هارفارد. صندوق العميد التنافسي للمنح الدراسية الواعدة.
