فهرست مطالب
مغز و سیستم عصبی ساختار و عملکرد پیچیده و منحصر به فردی دارند؛ با توجه به این پیچیدگی دانشمندان برای تفسیر و شناخت هرچه بیشتر عملکرد و اختلال عملکرد مغز از تکنیک‌ها از جمله اپتوژنتیک، ابزارهایی نو و جدید استفاده می‌کنند و همچنین سعی در توسعه و ابداع روش‌های جدیدتر با قابلیت‌های بیشتر دارند.
در این متن در ابتدا به این سوال که اپتوژنتیک چیست، پاسخ می‌دهیم و سپس در ادامه به کاربرد اپتوژنتیک در علوم اعصاب می‌پردازیم.
اپتوژنتیک چیست؟
تاریخچه تکنیک اپتوژنتیک
تکنیک اپتوژنتیک یا Optogenetics در حوزه علوم مغز و اعصاب استفاده می‌شود و به کمک این تکنیک می‌توان نقشه‌برداری از مغز را انجام داد و نور را برای تحریک اپتوژنتیکی یا ساکت کردن سلول‌های مغزی به کار برد.
تاریخچه این تکنیک به سال ۲۰۰۵ باز می‌گردد، زمانی که گروهی از دانشمندان در دانشگاه استنفورد، استفاده از ژنتیک و نور برای کنترل فعالیت نورونی را ارائه دادند.
در ابتدا، تکنیک اپتوژنتیک برای تحقیق در مورد مغز موش و سیستم عصبی آفتابگردان استفاده شد. این تحقیق در سال ۲۰۰۷ منجربه ارائه مقاله‌ای در مجله “Nature Neuroscience” شد که نشان داد که با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک می‌توان سلول‌های مغزی را به‌صورت دقیق و انتخابی تحریک کرد.
با ظهور تکنولوژی‌های نور پردازی و بهتر شدن قدرت تحلیل ژنتیکی، تکنیک اپتوژنتیک به سرعت در تحقیقات علوم مغز و اعصاب بیشتر به کار گرفته شد.
تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شد و روش‌های جدیدی برای استفاده از این تکنیک در بررسی و درمان بیماری‌های مغزی پیدا شد.
در سال ۲۰۱۰، گروهی از دانشمندان در دانشگاه استنفورد، از تکنیک اپتوژنتیک برای درمان بیماری پارکینسون استفاده کردند. آن‌ها با استفاده از این تکنیک، نورون‌هایی را که موجب علائم بیماری پارکینسون در مغز بیماران می‌شوند، از بین بردند.
از آن زمان به بعد، تکنیک اپتوژنتیک در بسیاری از تحقیقات علوم مغز و اعصاب به کار گرفته شده‌است. این تکنیک امکان کنترل دقیق‌تر و انتخابی‌تر فعالیت سلول‌های مغزی را در مقایسه با روش‌های سنتی ارائه می‌دهد.
در حال حاضر، تکنیک اپتوژنتیک به‌طور گسترده در تحقیقات علوم مغز و اعصاب، درمان بیماری‌های مغزی و حتی در توسعه ربات‌هایی که بتوانند با مغز ارتباط برقرار کنند، استفاده می‌شود.
همچنین این تکنیک در بررسی نحوه کارکرد سیستم عصبی در بیماری‌هایی مانند صرع، بیماری‌های خودایمنی، افسردگی و اسکیزوفرنی نیز به کار گرفته شده‌است.
از جمله کاربردهای مهم تکنیک اپتوژنتیک بررسی و درمان بیماری پارکینسون، افسردگی و اسکیزوفرنی است. در بیماری پارکینسون، تکنیک اپتوژنتیک به‌عنوان یک روش جدید و مؤثر در درمان این بیماری مطرح شده‌است.
با استفاده از این تکنیک، می‌توان نورون‌هایی که موجب علائم بیماری پارکینسون در مغز بیماران می‌شوند، به‌صورت دقیق و انتخابی تحریک یا ساکت کرد.
از دیگر کاربردهای تکنیک اپتوژنتیک می‌توان به طراحی ربات‌هایی که با استفاده از سیستم اپتوژنتیک به مغز انسان ارتباط برقرار می‌کنند، اشاره کرد. این ربات‌ها می‌توانند برای کمک به افرادی که ناتوانی حرکتی دارند، به کار روند.
در کل، تکنیک اپتوژنتیک امکانات بسیاری در تحقیقات علوم مغز و اعصاب و درمان بیماری‌های مغزی فراهم کرده است و احتمالاً در آینده نقش مهمی در پیشرفت علوم پزشکی و فناوری خواهد داشت.
مراحل انجام تکنیک اپتوژنتیک
تکنیک اپتوژنتیک یک روش پیشرفته در علوم مغز و اعصاب است که برای کنترل دقیق فعالیت سلول‌های مغزی با استفاده از نور و ژنتیک استفاده می‌شود. این تکنیک شامل چند مرحله است:
- طراحی و ساخت ژنتیکی: ابتدا باید ژنتیکی را طراحی و ساخت کرد که به سلول‌های مغزی اجازه می‌دهد به نور پاسخ دهند. برای این کار، از ژنوم میکروب‌هایی مانند باکتری‌های رنگی استفاده می‌شود که دارای چندین ژن هستند که به نور پاسخ می‌دهند. این ژن‌ها به‌عنوان ژن اپتوژنتیک شناخته می‌شوند.
- انتقال ژن به سلول‌های مغزی: پس از ساخت ژن، باید آن را به سلول‌های مغزی منتقل کنیم. برای این کار، از روش‌هایی مانند تزریق ژنتیکی یا استفاده از ویروس‌های ژنتیکی استفاده می‌شود. این روش‌ها به سلول‌های مغزی ژن را منتقل کرده و آن‌ها را به سلول‌های اپتوژنتیک تبدیل می‌کنند.
- استفاده از نور برای کنترل فعالیت سلول‌های مغزی: پس از انتقال ژن به سلول‌های مغزی، باید از نور برای کنترل فعالیت آن‌ها استفاده کرد. این کار با استفاده از یک لامپ نوری، لیزر یا فیبر نوری انجام می‌شود. با تاباندن نور به سلول‌های مغزی، ژن‌های اپتوژنتیک فعال می‌شوند و فعالیت سلول‌های مغزی کنترل می‌شود.
تکنیک اپتوژنتیک به علوم مغز و اعصاب کمک می‌کند تا درک بهتری از نحوه کارکرد مغز و بیماری‌های مغزی مانند افسردگی، اضطراب، صرع و پارکینسون کسب کند. همچنین این تکنیک می‌تواند برای تحریک سلول‌های مغزی درمان بیماری‌های مغزی مانند صرع، درد مزمن و اختلالات حرکتی مفید باشد.
پروتئین‌های مورد استفاده در تکنیک اپتوژنتیک و نقش اپتیک
در اپتوژنتیک محبوب‌ترین و اولین پروتئین حساس به نور مورد استفاده، پروتئین کالمیدوموناسی به نام کانالوردپسین-2( ChR2 ) است که از جلبک سبز کلامیدوموناس رینهاردتی گرفته شده‌است.
در این بخش موضوع اپتیک بسیار رایج است به طوری که این پروتیین یک کانال کاتیونی است که نسبت به یون‌های سدیم و کلسیم در پاسخ به نور آبی (طول موج 470 نانومتر) نفوذپذیر است؛ وقتی این اپسین درون نورون قرار می‌گیرد و با نور آبی فعال می‌شود توانایی کنترل این نورون را به ما می‌دهد.
به‌صورت طبیعی نورون‌ها به نور آبی پاسخی نمی‌دهند. از جمله دیگر از این پروتئین‌ها می‌توان به آرکیاردپسین وهالوردپسین اشــاره کرد.
طراحی مطالعات اپتوژنتیک
پنج مرحله اساســی در طراحی مطالعات و آزمایش‌های اپتوژنتیکی برای مطالعه رفتار مدل‌های بیماری و یا عملکرد نرمال وجود دارد، که شامل موارد زیر هستند:
- انتخاب اپسین مناسب برای آزمایش
- انتخاب اســتراتژی مناسب هدف‌گذاری به وســیله روش‌های انتقال ویروسی یا وکتورهای بیان اپسین‌ها در سلول
- انتخاب روش‌های نوررســانی بهینه برای نفوذ بهتر نور به عمق بافت مورد مطالعه
- انتخاب پارامترهای زمانی مناســب نــوری مانند پهنای زمان پالس، فرکانس و شدت نور
- اعتبارســنجی، دســتکاری آزمایشــگاهی و تعیین عملکرد ابزار اپتوژنتیکی برحسب الکتروفیزیولوژی
بــرای اعمال تکنیک‌های اپتوژنتیکی باید ابتــدا بافت موردنظر را با اســتفاده از مهندسی ژنتیک به نحوی تغییر داد تا بتواند نوعی پروتئین حساس به نور بســازد. در اینجا روش اپتیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. یعنی باید ژن کدکننده پروتئین اپسین مورد تایید را در ژنوم سلول موردنظر به وسیله ابزار‌های مهندسی ژنتیک وارد کرد تا زین پس این سلول پروتئین اپسین که حساس به نور است را تولید کند؛
سپس، با ابزار نوری مناسب (دو منبع نوری مهم مورد استفاده برای تابش در بیشتر فرآیندهای نوری در اپتوژنتیک عبارتند از: لیزر و دیودهای نورگسیل با طول موج متناسب (بســیاری از اپسین‌های موجود به آبی و زرد حساس هستند اما براساس مطالعاتی در سال 2016، در مقایسه با نور آبی، نور قرمز دارای مزایای متعددی در سیستم‌های مدل برای بیماری‌ها اســت) با پروتئین اپسین تولیدشده در سلول که به وسیله آن تحریک می‌شود، سلول و یا موقعیت هدف را نشانه می‌گیریم که در نتیجه آن پروتئین اپسین حساس به نور فعال و روشن می‌شود؛
درنهایت می‌توان با کمک آن فعالیت سلول موردنظر را کنترل کرد. به بیان ساده اپتوژنتیک به‌صورت تحریک یا مهار نوری سلول‌های هدف نیســت، بلکه اپتوژنتیک باید دســتور انجام دادن یا نــدادن یک فعالیت خاص را به ســلول برساند.
مزایای استفاده از تکنیک اپتوژنتیک
تکنیک اپتوژنتیک یک روش پیشرفته در علوم مغز و اعصاب است که برای کنترل فعالیت سلول‌های مغزی با استفاده از نور و ژنتیک استفاده می‌شود. این تکنیک دارای مزایای زیادی است، که به شرح زیر هستند:
- دقت بالا: تکنیک اپتوژنتیک اجازه می‌دهد تا فعالیت سلول‌های مغزی به‌صورت دقیق و انتخابی کنترل شود. این دقت بالا در بررسی نحوه کارکرد مغز و درمان بیماری‌های مغزی، مفید است.
- سرعت بالا: تکنیک اپتوژنتیک باعث ایجاد تغییرات فعالیت سلول‌های مغزی به سرعت بالا می‌شود. این سرعت بالا در تحقیقات علمی، بسیار مهم است.
- عمق کنترل: با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک، می‌توان فعالیت سلول‌های مغزی در عمق مختلف مغز را کنترل کرد. این عمق کنترل در بررسی بیماری‌های مغزی و درمان آن‌ها، مفید است.
- عدم نیاز به جراحی: تکنیک اپتوژنتیک برای کنترل فعالیت سلول‌های مغزی از نور استفاده می‌کند و نیازی به جراحی ندارد. این مزیت در بررسی بیماری‌های مغزی و درمان آن‌ها و همچنین در تحقیقات علمی، بسیار مفید است.
- قابلیت تنظیم: تکنیک اپتوژنتیک قابلیت تنظیم فعالیت سلول‌های مغزی را دارد. این قابلیت تنظیم در بررسی بیماری‌های مغزی و درمان آن‌ها و همچنین در تحقیقات علمی، بسیار مفید است.
- کاربرد گسترده: تکنیک اپتوژنتیک در بسیاری از زمینه‌های علوم مغز و اعصاب مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کاربرد گسترده در بررسی نحوه کارکرد مغز و درمان بیماری‌های مغزی، بسیار مفید است.
معایب استفاده از تکنیک اپتوژنتیک
تکنیک اپتوژنتیک یک تکنیک نوین در مطالعات نوروساینس و نوروبیولوژی است که در آن از نور به‌عنوان یک محرک برای تحریک سلول‌های عصبی استفاده می‌شود. با وجود اینکه این تکنیک بسیار مفید و قدرتمند است، اما همچنین برخی معایبی نیز دارد که در زیر به آن‌ها اشاره می‌کنیم:
1- دقت پایین: در بعضی موارد، تکنیک اپتوژنتیک ممکن است دقت پایینی داشته باشد. به‌عنوان مثال، اگر سلول‌های عصبی به درستی تحریک نشوند، این می‌تواند باعث ایجاد تغییرات ناخواسته در فعالیت سلول‌های مجاور شود.
2- نیاز به تجهیزات گران قیمت: برای استفاده از تکنیک اپتوژنتیک، نیاز به تجهیزات گران قیمتی مانند لیزر دارید. همچنین، برای تحریک سلول‌های عصبی با دقت بیشتر، نیاز به تجهیزات پیشرفته‌تری نیز وجود دارد.
3- محدودیت در عمق تحریک: در تکنیک اپتوژنتیک، تحریک سلول‌های عصبی تنها در عمق کمی از بافت امکان‌پذیر است. به‌عنوان مثال، این تکنیک در هنگام تحریک سلول‌های عصبی در بافت‌های عمیق مانند مغز و نخاع، با محدودیت مواجه می‌شود.
4- نیاز به تحلیل داده‌های پیچیده: اگرچه تکنیک اپتوژنتیک به دقت بالایی برای تحلیل فعالیت سلول‌های عصبی ارائه می‌دهد، اما تحلیل داده‌های پیچیده آن نیاز به تخصص و تجربه دارد. به همین دلیل، محققان باید دقت بیشتری برای تحلیل داده‌های اپتوژنتیک اختصاص دهند.
تاثیرات اپتوژنتیک در علوم اعصاب
تکنیک اپتوژنتیک در علوم اعصاب کاربردهای فراوانی دارد که به‌طور خلاصه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- بررسی فعالیت سلول‌های عصبی: با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک، محققان می‌توانند سلول‌های عصبی را با استفاده از نور تحریک کرده و فعالیت آن‌ها را بررسی کنند. این روش در بررسی عملکرد مغز و سیستم عصبی در بیماری‌های مختلف مفید است.
2- بررسی ارتباطات بین سلول‌های عصبی: با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک، محققان می‌توانند ارتباطات بین سلول‌های عصبی را بررسی کنند. این روش در بررسی شبکه‌های عصبی و عملکرد آن‌ها بسیار مفید است.
3- بررسی عملکرد مسیرهای عصبی: با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک، محققان می‌توانند عملکرد مسیرهای عصبی مختلف را بررسی کنند. این روش در بررسی عملکرد مسیرهای حرکتی و حسی بسیار مفید است.
4- تحریک سلول‌های عصبی: تکنیک اپتوژنتیک به‌عنوان روشی برای تحریک سلول‌های عصبی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش در تحریک سلول‌های عصبی در نواحی مختلف مغز برای بررسی عملکرد آن‌ها بسیار مفید است.
5- بررسی فعالیت سلول‌های عصبی در بیماری‌های عصبی: تکنیک اپتوژنتیک در بررسی فعالیت سلول‌های عصبی در بیماری‌های عصبی مانند پارکینسون، صرع و اسکیزوفرنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به‌طور کلی، تکنیک اپتوژنتیک به‌عنوان یک روش نوین در علوم اعصاب، امکان بررسی فعالیت سلول‌های عصبی در سطح دقیقی را فراهم می‌کند و باعث پیشرفت در بررسی عملکرد مغز و سیستم عصبی در بیماری‌های مختلف می‌شود.
نتیجه‌گیری:
تکنیک اپتوژنتیک از زمان پیدایش تاکنون به سرعت توسعه پیدا کرده است و در حوزه‌های مختلف به کار‌گرفته شده‌است. این تکنیک در حوزه علوم اعصاب پیشرفت‌های شگرفی را در شناخت کارکرد مدارهای عصبی، نقش نورون‌های بینابینی و ارتباط آناتومیک نواحی مختلف مغز موجب شده‌است.
با بهینه کردن اپسین‌ها در سرعت باسخ به نور و ارتقاء انتقال یونی آن‌ها و همچنین توسعه اپسین‌هایی که سینگنالینگ درون سلولی خاصی را به راه می‌اندازند، در آینده نزدیک شاهد استفاده وسیع‌تر از اپتوژنتیک برای شناسایی بهتر مکانیسم‌های فیزیولوژیک مسئول رفتارهای مختلف و همچنین توسعه این روش در درمان بیماری‌های نورولوژیک خواهیم بود.
نویسنده: سوده شریعت‌نیا، زهرا ملاحسینی
ویراستار: زهرا پرویزی
منابع
Kriss TC, Kriss VM. History of the operating microscope: from magnifying glass to microneurosurgery. Neurosurgery 1998; 42: 899–907
