Speciaal op maat gemaakt, ultrasnelle lichtpulsen kunnen neuronen aanzetten tot vuren en kunnen op een dag patiënten helpen met lichtgevoelige circadiane of stemmingsproblemen, volgens een nieuwe studie bij muizen aan de Universiteit van Illinois.

Chemici hebben zulke zorgvuldig vervaardigde lichtstralen gebruikt, coherente controle genoemd, om chemische reacties te reguleren, maar deze studie is de eerste demonstratie van het gebruik ervan om de functie in een levende cel te regelen. De studie gebruikte optogenetische muisneuronen - dat wil zeggen, cellen waaraan een gen is toegevoegd om ze op licht te laten reageren. Echter, de onderzoekers zeggen dat dezelfde techniek kan worden gebruikt op cellen die van nature reageren op licht, zoals die in het netvlies.

"Het gezegde, 'Het oog is het venster naar de ziel' heeft enige verdienste, omdat ons lichaam op licht reageert. Fotoreceptoren in ons netvlies verbinden met verschillende delen in de hersenen die de stemming regelen, metabolische ritmes en circadiane ritmes, " zei Dr. Stephen Boppart, de leider van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica . Boppart is een professor in elektrische en computertechnologie in Illinois en in bio-engineering, en is ook arts.

De onderzoekers gebruikten licht om een ​​lichtgevoelig kanaal in het membraan van neuronen te prikkelen. Toen de zenders opgewonden waren, ze lieten ionen door, waardoor de neuronen gingen vuren.

Terwijl de meeste biologische systemen in de natuur gewend zijn aan het continue licht van de zon, Het team van Boppart gebruikte een vlaag van zeer korte lichtpulsen - minder dan 100 femtoseconden. Dit levert in korte tijd veel energie op, het prikkelen van de moleculen naar verschillende energietoestanden. Naast het regelen van de lengte van de lichtpulsen, Het team van Boppart regelt de volgorde van golflengten in elke lichtpuls.

"Als je een ultrakorte of ultrasnelle lichtpuls hebt, er zijn veel kleuren in die puls. We kunnen bepalen welke kleuren eerst komen en hoe helder elke kleur zal zijn, " zei Boppart. "Bijvoorbeeld, blauwe golflengten hebben een veel hogere energie dan rode golflengten. Als we kiezen welke kleur eerst komt, we kunnen bepalen welke energie het molecuul op welk moment ziet, om de opwinding hoger of terug te brengen naar de basislijn. Als we een puls creëren waarbij het rood voor het blauw komt, het is heel anders dan wanneer het blauw voor het rood komt."

De onderzoekers demonstreerden met behulp van patronen van op maat gemaakte lichtpulsen om de neuronen in verschillende patronen te laten vuren.

Boppart zegt dat coherente controle optogenetische studies meer flexibiliteit kan geven, omdat veranderende eigenschappen van het gebruikte licht onderzoekers meer mogelijkheden kunnen bieden dan muizen met nieuwe genen te moeten engineeren telkens als ze een ander neurongedrag willen.

Buiten optogenetica, de onderzoekers werken aan het testen van hun coherente controletechniek met natuurlijk lichtgevoelige cellen en processen - netvliescellen en fotosynthese, bijvoorbeeld.

"Wat we voor de allereerste keer doen, is lichte en coherente controle gebruiken om de biologische functie te reguleren. Dit is fundamenteel universeler dan optogenetica - dat is slechts het eerste voorbeeld dat we gebruikten, "zei Boppart. "Uiteindelijk, dit kan een genenvrij zijn, een drugsvrije manier om de cel- en weefselfunctie te reguleren. We denken dat er 'opto-ceuticals, ' methoden om patiënten met licht te behandelen."