ออปโตเจเนติกส์เป็นเทคนิคทางชีววิทยาที่ใช้ในการจำแนกลักษณะและควบคุมกิจกรรมของเซลล์ประสาทหรือเซลล์ประเภทอื่น ๆ ด้วยแสงโดยทำได้โดยการแสดงออก ของช่องไอออน ปั๊มหรือเอนไซม์ที่ไวต่อแสงในเซลล์สมองเป้าหมาย สาขาเฉพาะทางของสาขานี้คือนาโนออปโตเจเนติกส์^{[ 1 ]}

ในระดับเซลล์ แต่ละ เซลล์ เอนไซม์ และปัจจัยการถอดรหัสที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงช่วยให้สามารถควบคุมเส้นทางการส่งสัญญาณทางชีวเคมีได้อย่างแม่นยำ^{[ 2 ]}ในระบบประสาทวิทยาความสามารถในการควบคุมกิจกรรมของกลุ่มเซลล์ประสาทที่กำหนดทางพันธุกรรมได้ถูกนำมาใช้เพื่อทำความเข้าใจถึงการมีส่วนร่วมในการตัดสินใจ^{[ 3 ]}การเรียนรู้^{[ 4 ]}ความทรงจำเกี่ยวกับความกลัว^{[ 5 ]}การผสมพันธุ์^{[ 6 ]}การเสพติด^{[ 7 ]}การกินอาหาร^{[ 8 ]}และการเคลื่อนไหว^{[ 9 ]}ในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีออปโตเจเนติกส์ทางการแพทย์ การมองเห็นได้รับการฟื้นฟูบางส่วนในผู้ป่วยตาบอดที่เป็นโรคจอประสาทตาเสื่อม^{[ 10 ]}

นอกเหนือจากเซลล์แต่ละเซลล์แล้ว เทคนิคออ ปโตเจเนติกส์ยังถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแผนที่การเชื่อมต่อการทำงานของสมอง^{[ 11 ] [ 12 ]}โดยการเปลี่ยนแปลงกิจกรรมของเซลล์ประสาทและบันทึกกิจกรรมของเซลล์อื่นๆ โดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพและสรีรวิทยาไฟฟ้า นักวิจัยสามารถระบุความสัมพันธ์ทางสถิติระหว่างเซลล์และบริเวณสมองได้^{[ 13 ] [ 14 ]}ในความหมายที่กว้างขึ้น สาขาออปโตเจเนติกส์ยังรวมถึงวิธีการบันทึกกิจกรรมของเซลล์ด้วยตัวบ่งชี้ที่เข้ารหัสทางพันธุกรรมด้วย

ในปี 1979 ฟรานซิส คริกเสนอว่า การควบคุมเซลล์ทุกชนิดในสมองโดยที่เซลล์ชนิดอื่น ๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงนั้น เป็นความท้าทายอย่างแท้จริงสำหรับวิทยาศาสตร์ทางประสาท คริกคาดการณ์ว่า เทคโนโลยีที่ใช้แสงอาจมีประโยชน์ในการควบคุมกิจกรรมของเซลล์ประสาทด้วยความแม่นยำทั้งในเชิงเวลาและพื้นที่ แต่ในขณะนั้นยังไม่มีเทคนิคใดที่ทำให้เซลล์ประสาทตอบสนองต่อแสงได้

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 LC Katz และ E Callaway ได้แสดงให้เห็นว่าแสงสามารถปลดปล่อยกลูตาเมตได้^{[ 15 ]}ในปี 1994 Heberle และ Büldt ได้แสดงให้เห็นถึง การแสดงออก ของแบคทีริโอโร ดอปซิน แบบต่างชนิดกันที่ ใช้งานได้จริง สำหรับการไหลของไอออนที่กระตุ้นด้วยแสงในยีสต์^{[ 16 ]}ในปี 1995 Georg Nagel , Ernst Bamberg และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาได้ลองการแสดงออกของ โรดอปซินจากจุลินทรีย์แบบต่างชนิดกัน(รวมถึงแบคทีริโอโรดอปซินและในระบบที่ไม่ใช่ระบบประสาท เช่น โอโอไซต์ของกบ Xenopus) และแสดงให้เห็นกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากแสง^{[ 17 ]}

วิธีการกำหนดเป้าหมายทางพันธุกรรมที่เก่าแก่ที่สุดที่ใช้แสงในการควบคุมเซลล์ประสาทที่ไวต่อโรดอปซินได้รับการรายงานในเดือนมกราคม พ.ศ. 2545 โดยBoris ZemelmanและGero Miesenböckซึ่งใช้เซลล์ประสาทของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่เพาะเลี้ยงโรด อปซินจากแมลงหวี่ ^{[ 18 ]}ในปี พ.ศ. 2546 Zemelman และ Miesenböck ได้พัฒนาวิธีการที่สองสำหรับการกระตุ้นเซลล์ประสาทที่ขึ้นอยู่กับแสง โดยที่ช่องไอออนโทรปิกเดี่ยว TRPV1, TRPM8 และ P2X2 ถูกควบคุมโดยลิแกนด์ที่ถูกกักด้วยแสงเพื่อตอบสนองต่อแสง^{[ 19 ]}ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2547 กลุ่ม Kramer และ Isacoff ได้พัฒนาสวิตช์แสงอินทรีย์หรือสารประกอบ "กักแบบย้อนกลับได้" โดยร่วมมือกับ กลุ่ม Traunerซึ่งสามารถโต้ตอบกับช่องไอออนที่นำเข้าทางพันธุกรรมได้^{[ 20 ] [ 21 ]}วิธีการ TRPV1 แม้ว่าจะไม่มีตัวกระตุ้นด้วยแสง ก็ถูกนำไปใช้โดยห้องปฏิบัติการหลายแห่งเพื่อเปลี่ยนแปลงการกิน การเคลื่อนไหว และความยืดหยุ่นทางพฤติกรรมในสัตว์ทดลอง^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} อย่างไรก็ตาม แนวทางที่ใช้แสงในการเปลี่ยนแปลงกิจกรรมของเซลล์ประสาทไม่ได้ถูกนำไปใช้ภายนอกห้องปฏิบัติการดั้งเดิม อาจเป็นเพราะ แชนเนลโรดอปซินซึ่งใช้งานง่ายกว่าถูกโคลนในเวลาต่อมาไม่นาน^{[ 25 ]}

ปีเตอร์ เฮเกมันน์ผู้ศึกษาการตอบสนองต่อแสงของสาหร่ายสีเขียวที่มหาวิทยาลัยเรเกนส์บูร์กได้ค้นพบกระแสไฟฟ้าจากแสงที่เร็วเกินกว่าจะอธิบายได้ด้วยโรดอปซินของสัตว์ที่เชื่อมต่อกับโปรตีนจีแบบคลาสสิก^{[ 26 ]}เขาได้ร่วมมือกับจอร์จ นาเกล นักสรีรวิทยาไฟฟ้าที่สถาบันแม็กซ์พลังค์ในแฟรงก์เฟิร์ต และสามารถแสดงให้เห็นว่ายีนเดี่ยวจากสาหร่ายChlamydomonasสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าจากแสงขนาดใหญ่ได้เมื่อแสดงออกในโอโอไซต์ของกบ^{[ 27 ]}เพื่อระบุเซลล์ที่แสดงออก พวกเขาได้แทนที่ส่วนหางไซโตพลาสมิกของโปรตีนสาหร่ายด้วยโปรตีนเรืองแสง YFP ทำให้เกิดเครื่องมือออปโตเจเนติกส์ที่ใช้ได้ทั่วไปเป็นครั้งแรก^{[ 25 ]}พวกเขาระบุในบทความปี 2003 ว่า "การแสดงออกของ ChR2 ในโอโอไซต์หรือเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสามารถใช้เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความเข้มข้นของ Ca ²⁺ ในไซโตพลาสมิก หรือทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เกิด การลดขั้วได้ เพียงแค่การส่องสว่าง"

Karl Deisserothจากภาควิชาวิศวกรรมชีวภาพมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้ตีพิมพ์หน้าสมุดบันทึกตั้งแต่ต้นเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2547 เกี่ยวกับการทดลองเบื้องต้นของเขาที่แสดงให้เห็นการกระตุ้นด้วยแสงของเซลล์ประสาทที่แสดงออกถึงแชนเนลโรดอป ซิน ^{[ 28 ]}ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2548 เจ้าหน้าที่ห้องปฏิบัติการของเขา รวมถึงนักศึกษาปริญญาโทEd BoydenและFeng Zhangร่วมกับ Georg Nagel ได้ตีพิมพ์การสาธิตครั้งแรกของระบบออปโตเจเนติกส์แบบส่วนประกอบเดียวในเซลล์ประสาท^{[ 29 ]}โดยใช้แชนเนลโรดอปซิน-2(H134R)-eYFP กลายพันธุ์จาก Georg Nagel ซึ่งเป็นแชนเนลโรดอปซิน-2 กลายพันธุ์ตัวแรกนับตั้งแต่มีการกำหนดลักษณะการทำงานโดย Georg Nagel และ Hegemann ^{[ 25 ]}

Zhuo-Hua Panจากมหาวิทยาลัย Wayne Stateซึ่งทำการวิจัยเกี่ยวกับการฟื้นฟูการมองเห็นให้กับผู้ที่ตาบอด ได้ทดลองใช้แชนเนลโรดอปซินในเซลล์แกงลีออน ซึ่งเป็นเซลล์ประสาทในดวงตาของมนุษย์ที่เชื่อมต่อโดยตรงกับสมอง การสังเกตครั้งแรกของ Pan เกี่ยวกับการกระตุ้นด้วยแสงของเซลล์ประสาทเรตินาด้วยแชนเนลโรดอปซินเกิดขึ้นในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2547 ตามที่ Pan กล่าว^{[ 30 ]}ห้าเดือนก่อนการสังเกตครั้งแรกของ Deisseroth ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2547 ^{[ 31 ]}แท้จริงแล้ว เซลล์ประสาทที่ได้รับการถ่ายยีนนั้นมีการทำงานทางไฟฟ้าตอบสนองต่อแสง และในปี พ.ศ. 2548 Zhuo-Hua Pan ได้รายงานการถ่ายยีนแชนเนลโรดอปซินในเซลล์แกงลีออนเรตินาของหนูที่ประสบความสำเร็จ และการตอบสนองทางไฟฟ้าต่อการกระตุ้นด้วยแสงในการเพาะเลี้ยงชิ้นส่วนเรตินา^{[ 32 ]}ในที่สุดวิธีการนี้ก็ได้รับการนำไปใช้กับผู้ป่วยมนุษย์โดยBotond Roskaและเพื่อนร่วมงานในปี พ.ศ. 2564 ^{[ 10 ]}

ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2548 Susana Limaและ Miesenböck ได้รายงานการใช้การกระตุ้นด้วยแสง P2X2 ที่กำหนดเป้าหมายทางพันธุกรรมเป็นครั้งแรก เพื่อควบคุมพฤติกรรมของสัตว์^{[ 33 ]}พวกเขาแสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นด้วยแสงของกลุ่มเซลล์ประสาทที่จำกัดทางพันธุกรรม เช่น กลุ่มเซลล์ประสาทของ ระบบ โดปามีนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมที่เป็นลักษณะเฉพาะในแมลงวันผลไม้

ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2548 Lynn Landmesser และ Stefan Herlitze ได้ตีพิมพ์การใช้ channelrhodopsin-2 เพื่อควบคุมกิจกรรมของเซลล์ประสาทในเซลล์ประสาทฮิปโปแคมปัสที่เพาะเลี้ยงและ วงจร ไขสันหลัง ของไก่ ในตัวอ่อนที่กำลังพัฒนาอย่างสมบูรณ์^{[ 34 ]}นอกจากนี้ พวกเขายังได้แนะนำเป็นครั้งแรกถึง rhodopsin ของสัตว์มีกระดูกสันหลัง ซึ่งเป็นตัวรับที่เชื่อมโยงกับโปรตีน G ที่กระตุ้นด้วยแสง ในฐานะเครื่องมือในการยับยั้งกิจกรรมของเซลล์ประสาทผ่านการคัดเลือกเส้นทางการส่งสัญญาณภายในเซลล์ในเซลล์ประสาทฮิปโปแคมปัสและตัวอ่อนไก่ที่กำลังพัฒนาอย่างสมบูรณ์^{[ 34 ]}

กลุ่มของAlexander Gottschalkและ Georg Nagel สร้าง ChR2 กลายพันธุ์ตัวแรก (H134R) และเป็นกลุ่มแรกที่ใช้ channelrhodopsin-2 ในการควบคุมกิจกรรมของเซลล์ประสาทในสัตว์ที่ยังมีชีวิตอยู่ โดยแสดงให้เห็นว่ารูปแบบการเคลื่อนไหวในหนอนตัวกลมC. elegansสามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยการกระตุ้นด้วยแสงของวงจรประสาทที่ได้รับการคัดเลือกทางพันธุกรรม (ตีพิมพ์ในเดือนธันวาคม 2005) ^{[ 35 ]}ในหนู การแสดงออกของเครื่องมือออปโตเจเนติกส์ที่ควบคุมได้มักจะทำได้ด้วยวิธีการ Cre/loxP เฉพาะเซลล์ชนิดที่พัฒนาขึ้นสำหรับวิทยาศาสตร์ประสาทโดยJoe Z. Tsienในช่วงทศวรรษ 1990 ^{[ 36 ]}เพื่อกระตุ้นหรือยับยั้งบริเวณสมองและเซลล์ชนิดเฉพาะในร่างกาย^{[ 37 ]}

ในปี 2550 ห้องปฏิบัติการของ Boyden และ Deisseroth (ร่วมกับกลุ่มของ Gottschalk และ Georg Nagel) ได้รายงานความสำเร็จในการยับยั้งการทำงานของเซลล์ประสาทด้วยวิธีออปโตเจเนติกพร้อมกัน^{[ 38 ] [ 39 ]}ในปีเดียวกันนั้น กลุ่มของ Georg Nagel และ Hegemann ได้เริ่มทำการควบคุม cAMP ด้วยวิธีออปโตเจเนติก^{[ 40 ]}ในปี 2557 Avelar และคณะได้รายงานการค้นพบยีนโรดอปซิน-กัวนิลไซเคลสตัวแรกจากเชื้อรา ในปี 2558 Scheib และคณะ และ Gao และคณะ ได้ศึกษาลักษณะการทำงานของยีนโรดอปซิน-กัวนิลไซเคลส และ Shiqiang Gao และคณะ รวมถึง Georg Nagel และ Alexander Gottschalk ได้ระบุว่าเป็นโรดอปซิน 8 TM ตัวแรก^{[ 41 ]}

ออปโตเจเนติกส์ให้ความแม่นยำเชิงเวลาในระดับมิลลิวินาที ซึ่งช่วยให้นักทดลองสามารถติดตามการประมวลผลข้อมูลทางชีวภาพที่รวดเร็วได้ ออปโตเจเนติกส์โดยนิยามแล้วต้องทำงานในระดับเวลาเป็นมิลลิวินาทีเพื่อให้สามารถเพิ่มหรือลบรูปแบบกิจกรรมที่แม่นยำภายในเซลล์เฉพาะในสมองของสัตว์ที่ยังมีชีวิตอยู่ (ดูรูปที่ 1)และติดตามการควบคุมด้วยแสงได้ ซึ่งสามารถทำได้ด้วยการบันทึกทางไฟฟ้า ("ออปโทรด") หรือด้วย โปรตีนรายงานการตรวจจับทาง ชีวภาพที่สร้างขึ้นผ่านการรวมโปรตีนเรืองแสงเข้ากับโปรตีนตรวจจับ นอกเหนือจากผลกระทบทางวิทยาศาสตร์แล้ว ออปโตเจเนติกส์ยังเป็นกรณีศึกษาที่สำคัญในคุณค่าของการอนุรักษ์ระบบนิเวศและความสำคัญของวิทยาศาสตร์พื้นฐานบริสุทธิ์ออปซิน เหล่านี้ ได้รับการศึกษามานานหลายทศวรรษโดยนักชีวฟิสิกส์และนักจุลชีววิทยาเพื่อประโยชน์ของตัวมันเอง ก่อนที่จะพิจารณาถึงคุณค่าที่เป็นไปได้ในด้านประสาทวิทยาและโรคทางจิตเวช^{[ 45 ]}

โปรตีนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง: ช่องทาง ปั๊ม และเอนไซม์

จุดเด่นของออปโตเจเนติกส์คือการนำช่องทาง ปั๊ม และเอนไซม์ที่ทำงานด้วยแสงอย่างรวดเร็วมาใช้ ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมเหตุการณ์ทางไฟฟ้าและชีวเคมีได้อย่างแม่นยำในเชิงเวลา ในขณะที่ยังคงรักษาความละเอียดของชนิดเซลล์ไว้ได้โดยใช้กลไกการกำหนดเป้าหมายที่เฉพาะเจาะจง ในบรรดาออปซินของจุลินทรีย์ที่สามารถนำมาใช้ในการศึกษาการทำงานของระบบประสาท ได้แก่ แชนเนลโรดอปซิน (ChR2, ChR1, VChR1 และ SFOs) เพื่อกระตุ้นเซลล์ประสาท และแชนเนลโรดอปซินที่นำไอออนลบเพื่อยับยั้งการทำงานด้วยแสง นอกจากนี้ ยังมีการสร้าง ช่องโพแทสเซียม ที่ควบคุมด้วยแสงทางอ้อม ขึ้นมาใหม่เพื่อป้องกันการสร้างศักย์ไฟฟ้าในเซลล์ประสาทระหว่างการฉายแสงสีฟ้า^{[ 46 ] [ 47 ]}ปั๊มไอออนที่ขับเคลื่อนด้วยแสงยังใช้เพื่อยับยั้งกิจกรรมของเซลล์ประสาท เช่นฮาโลโรดอปซิน (NpHR) ^{[ 48 ]}ฮาโลโรดอปซินที่ได้รับการปรับปรุง (eNpHR2.0 และ eNpHR3.0 ดูรูปที่ 2) ^{[ 49 ]}อาร์เคโรดอปซิน (Arch) ออปซินจากเชื้อรา (Mac) และแบคทีริโอโรดอปซินที่ได้รับการปรับปรุง (eBR) ^{[ 50 ]}

การควบคุมเหตุการณ์ทางชีวเคมีที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนภายในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีพฤติกรรมโดยใช้ออปโตเจเนติกส์ก็เป็นไปได้เช่นกัน โดยอาศัยงานวิจัยก่อนหน้านี้ที่รวมออปซินของสัตว์มีกระดูกสันหลังเข้ากับตัวรับที่เชื่อมโยงกับโปรตีน G ที่เฉพาะเจาะจง ^{[ 51 ]} ได้มีการสร้างเครื่องมือออปโตเจเนติกส์แบบส่วนประกอบเดียว ที่เป็นลูกผสมขึ้นมา ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุมความเข้มข้นของสารสื่อสารภายในเซลล์ที่กำหนดไว้ เช่น cAMP และ IP3 ในเซลล์เป้าหมายภายในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีพฤติกรรมได้^{[ 52 ]}แนวทางทางชีวเคมีอื่นๆ ในการใช้ออปโตเจเนติกส์ก็เกิดขึ้นตามมาในไม่ช้า เมื่อสามารถควบคุม GTPase ขนาดเล็กและอะเดนิลไซเคลสด้วยแสงในเซลล์เพาะเลี้ยงได้โดยใช้กลยุทธ์ใหม่ๆ จากห้องปฏิบัติการต่างๆ หลายแห่ง^{[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}อะเดนิลไซเคลสที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงถูกค้นพบในเชื้อราและถูกนำมาใช้ควบคุมระดับ cAMP ในเซลล์ประสาทของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้สำเร็จ^{[ 56 ] [ 57 ]} ออปซินที่เชื่อมต่อกับ G _i/o ( eOPN3 , ^{[ 58 ]} Pd CO ^{[ 59 ]} ) ถูกนำมาใช้เพื่อยับยั้งการหลอมรวมของถุงไซแนปส์ในเซลล์ประสาทเพื่อตอบสนองต่อแสง ทำให้เอาต์พุตของเซลล์เงียบลง ชุดแอคทูเอเตอร์ออปโตเจเนติกส์ที่เกิดขึ้นใหม่นี้ช่วยให้สามารถควบคุมการทำงานของเซลล์หลายแกนได้อย่างแม่นยำทั้งในด้านชนิดของเซลล์และด้านเวลาภายในสัตว์ที่ยังมีชีวิตอยู่^{[ 60 ]}

อุปกรณ์สำหรับงานเบา

ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งคือฮาร์ดแวร์ (เช่น แหล่งกำเนิดแสงแบบไฟเบอร์ออปติกและโซลิดสเตทแบบบูรณาการ) เพื่อให้สามารถควบคุมเซลล์ประเภทเฉพาะในสัตว์ที่มีพฤติกรรมอิสระได้ โดยทั่วไปแล้ว ปัจจุบันเทคโนโลยีไดโอดที่เชื่อมต่อด้วยไฟเบอร์ออปติกซึ่งเปิดตัวในปี 2550 สามารถทำได้^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]}เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้อิเล็กโทรดฝัง นักวิจัยได้คิดค้นวิธีการสลักและดัดแปลง "หน้าต่าง" โปร่งใสที่ทำจากเซอร์โคเนียในกะโหลกหนูเพื่อให้คลื่นแสงสามารถทะลุเข้าไปได้ลึกขึ้นเพื่อกระตุ้นหรือยับยั้งเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์^{[ 64 ]}เพื่อกระตุ้นบริเวณสมองส่วนตื้น เช่น เปลือกสมอง สามารถติดตั้งไฟเบอร์ออปติกหรือLEDเข้ากับกะโหลกของสัตว์ได้โดยตรง ไฟเบอร์ออปติกที่ฝังลึกกว่านั้นถูกนำมาใช้เพื่อส่งแสงไปยังบริเวณสมองที่ลึกกว่า^{[ 65 ]}นอกเหนือจากวิธีการที่ใช้สายไฟเบอร์แล้ว ยังมีการพัฒนาเทคนิคไร้สายอย่างสมบูรณ์โดยใช้พลังงานที่ส่งผ่านแบบไร้สายไปยังไดโอดเปล่งแสง ( LED) ที่หัว เพื่อการศึกษาพฤติกรรมที่ซับซ้อนในสิ่งมีชีวิตที่มีพฤติกรรมอิสระได้อย่างไม่มีข้อจำกัด^{[ 66 ]}

การแสดงออกของแอคทูเอเตอร์ออปโตเจเนติกส์

ออปโตเจเนติกส์ยังรวมถึงการพัฒนากลยุทธ์การกำหนดเป้าหมายทางพันธุกรรม เช่น โปรโมเตอร์เฉพาะเซลล์หรือไวรัสที่ทำงานภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดเองอื่นๆ เพื่อส่งโพรบที่ไวต่อแสงไปยังกลุ่มเซลล์ประสาทเฉพาะในสมองของสัตว์มีชีวิต (เช่น หนอน แมลงวันผลไม้ หนู หนูแรต และลิง) ในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น หนอนและแมลงวันผลไม้ จะมีการเสริมออล-ทรานส์-เรตินัล (ATR) ในปริมาณหนึ่งร่วมกับอาหาร ข้อได้เปรียบที่สำคัญของออปซินจุลินทรีย์ดังที่กล่าวไว้ข้างต้นคือสามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่ต้องเพิ่มโคแฟคเตอร์ภายนอกในสัตว์มีกระดูกสันหลัง^{[ 63 ]}

เทคนิคการใช้ออปโตเจเนติกส์มีความยืดหยุ่นและปรับเปลี่ยนได้ตามความต้องการของผู้ทำการทดลอง แชนเนลโรดอปซินที่เลือกไอออนบวก (เช่น ChR2) ใช้ในการกระตุ้นเซลล์ประสาท แชนเนลโรดอปซินที่นำไอออนลบ (เช่น GtACR2) ยับยั้งการทำงานของเซลล์ประสาท การรวมเครื่องมือเหล่านี้เข้าไว้ในโครงสร้างเดียว (เช่น BiPOLES) ช่วยให้สามารถยับยั้งและกระตุ้นได้ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของการส่องสว่าง^{[ 68 ]}

การนำออปซินของจุลินทรีย์เข้าไปในกลุ่มเซลล์เฉพาะนั้นเป็นเรื่องท้าทาย แนวทางที่นิยมใช้คือการนำเวกเตอร์ไวรัสที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมซึ่งมียีนตัวกระตุ้นออปโตเจเนติกติดอยู่กับโปรโมเตอร์ เฉพาะ เช่นCAMKIIαซึ่งช่วยให้มีความเฉพาะเจาะจงในระดับหนึ่ง^{[ 69 ]}แนวทางที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นโดยอาศัยหนูทรานส์เจนิก "ไดรเวอร์" ที่แสดงออกถึงCre recombinaseซึ่งเป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาการรวมตัวใหม่ระหว่างไซต์ lox-P สองไซต์ในกลุ่มเซลล์เฉพาะ โดยการนำเวกเตอร์ไวรัสที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมซึ่งมียีนตัวกระตุ้นออปโตเจเนติกอยู่ระหว่างไซต์ lox-P สองไซต์ เฉพาะเซลล์ที่ผลิต Cre recombinase เท่านั้นที่จะแสดงออกถึงออปซินของจุลินทรีย์ เทคนิคนี้ทำให้สามารถใช้ตัวกระตุ้นออปโตเจเนติกที่ดัดแปลงได้โดยไม่จำเป็นต้องสร้างสัตว์ทรานส์เจนิกทั้งสายพันธุ์ทุกครั้งที่ต้องการออปซินของจุลินทรีย์ตัวใหม่^{[ 70 ]}

หลังจากมีการแนะนำและการแสดงออกของออปซินจุลินทรีย์แล้ว แหล่งกำเนิดแสงที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์จะต้องถูกเชื่อมต่อทางแสงกับบริเวณสมองที่ต้องการ^{[ 71 ]} มักใช้ LED หรือเลเซอร์โซลิดสเตทแบบไดโอดปั๊มที่เชื่อม ต่อด้วยไฟเบอร์ (DPSS) ความก้าวหน้าล่าสุดได้แก่ การเกิดขึ้นของอุปกรณ์ไร้สายแบบสวมศีรษะที่ใช้ LED กับบริเวณเป้าหมาย และส่งผลให้สัตว์มีอิสระในการเคลื่อนไหวมากขึ้น^{[ 72 ] [ 73 ]}

วิธีการที่ใช้ ไฟเบอร์ยังสามารถใช้ในการรวมการกระตุ้นด้วยแสงและการถ่ายภาพแคลเซียมได้ อีกด้วย ^{[ 65 ]}วิธีนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถมองเห็นและควบคุมกิจกรรมของเซลล์ประสาทเดี่ยวในสัตว์ที่ตื่นตัวและมีพฤติกรรมได้^{[ 74 ]}นอกจากนี้ยังสามารถบันทึกจากหลายบริเวณของสมองส่วนลึกได้พร้อมกันโดยใช้ เลนส์ GRINที่เชื่อมต่อผ่านใยแก้วนำแสงไปยังตัวตรวจจับแสงและตัวกระตุ้นแสงที่วางตำแหน่งภายนอก^{[ 75 ] [ 76 ]}

ปัญหาหลักประการหนึ่งของออปโตเจเนติกส์คือ เซลล์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมดอาจไม่ได้แสดงออกยีนออปซินของจุลินทรีย์ในระดับเดียวกัน ดังนั้น แม้แต่การส่องสว่างด้วยความเข้มแสงที่กำหนดไว้ก็จะมีผลที่แตกต่างกันในแต่ละเซลล์ การกระตุ้นเซลล์ประสาทในสมองด้วยออปโตเจเนติกส์นั้นควบคุมได้ยากกว่าเมื่อความเข้มแสงจากแหล่งกำเนิดแสงลดลง ด้วยเหตุนี้ การกำหนดเป้าหมายออปซินไปยังส่วนย่อยของเซลล์ที่กำหนดไว้จึงยังคงเป็นเรื่องยาก^{[ 49 ] [ 77 ]}การจำกัดออปซินให้อยู่ในบริเวณเฉพาะของเยื่อหุ้มเซลล์ เช่นเดนไดรต์โซมาตาหรือปลายแอกซอนจะช่วยให้เข้าใจวงจรประสาทได้ดียิ่งขึ้น^{[ 77 ]}

การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แสดงให้เห็นว่าการแสดงออกของออปซินแบบเลือกเฉพาะในเซลล์ประเภทต่างๆ สามารถเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมไดนามิกของวงจรประสาทได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกระตุ้นด้วยออปโตเจเนติกส์ที่มุ่งเป้าไปที่เซลล์ยับยั้งโดยเฉพาะ สามารถเปลี่ยนแปลงความสามารถในการตื่นตัวของเนื้อเยื่อประสาท ซึ่งส่งผลต่อเซลล์ประสาทที่ไม่ได้รับการถ่ายยีนด้วยเช่นกัน^{[ 78 ]}

ช่องโรดอปซิน-2 ดั้งเดิมปิดช้ากว่าช่องแคตไอออนทั่วไปของเซลล์ประสาทคอร์เทกซ์ ทำให้เกิดการลดขั้วและการไหลเข้าของแคลเซียมเป็นเวลานาน^{[ 79 ]}นอกจากนี้ ความแตกต่างระหว่างรูปแบบการกระตุ้นตามธรรมชาติและการกระตุ้นด้วยแสงทางพันธุกรรมจะกระตุ้นเซลล์ประสาทที่แสดงออกพร้อมกันด้วยการกระตุ้นด้วยแสงพัลส์ ทำให้ไม่มีความเป็นไปได้ของกิจกรรมตามลำดับในกลุ่มที่ถูกกระตุ้น สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ทำให้เข้าใจได้ยากว่าเซลล์ที่ได้รับผลกระทบสื่อสารกันอย่างไร แต่ยังทำให้เข้าใจได้ยากว่าคุณสมบัติเชิงเฟสของการกระตุ้นเกี่ยวข้องกับการทำงานของวงจรอย่างไร

เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ การกระตุ้นด้วยออปโตเจเนติกส์จึงถูกรวมเข้ากับการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงฟังก์ชัน (fMRI) เพื่ออธิบายคอนเน็กโทม ซึ่งเป็นแผนที่โดยละเอียดของการเชื่อมต่อประสาทของสมอง^{[ 77 ] [ 80 ]}การกระตุ้นด้วยออปโตเจเนติกส์ที่กำหนดเวลาอย่างแม่นยำถูกใช้เพื่อปรับเทียบสัญญาณฮีโมไดนามิกส์ที่ล่าช้า ( BOLD ) ซึ่งเป็นพื้นฐานของ fMRI

โปรตีนออปซินที่ใช้ในปัจจุบันมีจุดดูดซับสูงสุดในช่วงสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ แต่ยังคงมีความไวต่อแสงสีฟ้าค่อนข้างมาก^{[ 77 ]}การทับซ้อนของสเปกตรัมนี้ทำให้การรวมการกระตุ้นออปซินเข้ากับตัวบ่งชี้ที่เข้ารหัสทางพันธุกรรม ( GEVIs , GECIs , GluSnFR , synapto-pHluorin ) ซึ่งส่วนใหญ่ต้องการการกระตุ้นด้วยแสงสีฟ้า เป็นเรื่องยากมาก ออปซินที่มีการกระตุ้นด้วยอินฟราเรดจะช่วยเพิ่มการทะลุผ่านของแสงและเพิ่มความละเอียดผ่านการลดการกระเจิงของแสงที่ค่าความเข้มแสงมาตรฐาน

เนื่องจากการกระเจิง ลำแสงแคบๆ ที่ใช้กระตุ้นเซลล์ประสาทในเนื้อเยื่อประสาทบางส่วนสามารถกระตุ้นให้เกิดการตอบสนองที่กว้างกว่าลำแสงกระตุ้นมาก^{[ 81 ]}ในกรณีนี้ เซลล์ประสาทอาจถูกกระตุ้น (หรือยับยั้ง) โดยไม่ตั้งใจ เครื่องมือจำลองทางคอมพิวเตอร์^{[ 82 ] [ 83 ]}ถูกใช้เพื่อประมาณปริมาตรของเนื้อเยื่อที่ถูกกระตุ้นสำหรับความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกัน

สาขาออปโตเจเนติกส์ได้พัฒนาความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์พื้นฐานเกี่ยวกับวิธีที่เซลล์ชนิดต่างๆ มีส่วนช่วยในการทำงานของเนื้อเยื่อทางชีวภาพ เช่น วงจรประสาทในร่างกายในด้านคลินิก การวิจัยที่ขับเคลื่อนด้วยออปโตเจเนติกส์ได้นำไปสู่ความเข้าใจในการฟื้นฟูด้วยแสง[1] , ^{[ 84 ]}โรคพาร์กินสัน^{[ 85 ] [ 86 ]}และความผิดปกติทางระบบประสาทและจิตเวชอื่นๆ เช่นออทิ สติ กโรคจิตเภทการใช้ยาเสพ ติด ความวิตกกังวล และภาวะซึมเศร้า [ ^{50 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] การ}รักษาแบบทดลองสำหรับภาวะตาบอดเกี่ยวข้องกับช่องโรดอปซินที่แสดงออกในเซลล์แกงลีออนซึ่งถูกกระตุ้นด้วยรูปแบบแสงจากแว่นตาที่ได้รับการออกแบบ^{[ 90 ] [ 10 ]}

วิธีการทางออปโตเจเนติกส์ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแผนที่วงจรประสาทในอะมิกดาลาที่ส่งผลต่อการปรับสภาพความกลัว^{[ 91 ] [ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]}ตัวอย่างหนึ่งของวงจรประสาทดังกล่าวคือการเชื่อมต่อจากอะมิกดาลาส่วนฐานด้านข้างไปยังคอร์เทกซ์ส่วนหน้าด้านหลังตรงกลาง ซึ่ง มีการสังเกต การสั่นของเซลล์ประสาทที่ความถี่ 4 เฮิรตซ์ที่สัมพันธ์กับพฤติกรรมการหยุดนิ่งที่เกิดจากความกลัวในหนู หนูทรานส์เจนิกได้รับการใส่ยีนแชนเนลโรโดโพซิน-2 ที่เชื่อมต่อกับ โปรโมเตอร์ พาร์วาลบูมิน -Cre ซึ่งติดเชื้อเฉพาะเซลล์ประสาทระหว่างเซลล์ที่อยู่ในทั้งอะมิกดาลาส่วนฐานด้านข้างและคอร์เทกซ์ส่วนหน้าด้านหลังตรงกลางซึ่งรับผิดชอบต่อการสั่นที่ความถี่ 4 เฮิรตซ์ อินเตอร์นิวรอนได้รับการกระตุ้นด้วยแสง ทำให้เกิดพฤติกรรมหยุดนิ่ง และเป็นผลให้หลักฐานว่าการสั่น 4 Hz เหล่านี้อาจเป็นสาเหตุของการตอบสนองความกลัวขั้นพื้นฐานที่เกิดจากกลุ่มเซลล์ประสาทตามแนวคอร์เทกซ์พรีฟรอนทัลด้านหลังส่วนกลางและอะมิกดาลาฐานด้านข้าง^{[ 95 ]}

การจัดการออปโตเจเนติกเพิ่มเติมของอะมิกดาลาส่วนกลาง (CeA) เผยให้เห็นบทบาทของบริเวณนี้ในการทำงานของระบบประสาทรับความรู้สึกและการเคลื่อนไหวที่แข็งแกร่ง การใช้แบบจำลองหนู การถ่ายภาพแคลเซียมในร่างกายเผยให้เห็นการกระตุ้นของประชากรเซลล์ประสาทที่แสดงออกถึงปัจจัยการถอดรหัสIsl1ในช่วงเริ่มต้นของการกัด กิจกรรมของเซลล์ประสาทเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแข็งของวัตถุที่ถูกกัด ซึ่งชี้ให้เห็นถึงบทบาทของเซลล์ประสาทในการปรับแรง การกระตุ้นออปโตเจเนติกของเซลล์ประสาท CeA ^Isl1เสริมและเพิ่มพฤติกรรมการกัด ในขณะที่การยับยั้งทำให้การกัดลดลงโดยการลดกิจกรรมของกล้ามเนื้อปิดขากรรไกร นอกจากนี้ การกระตุ้นการฉายภาพของ CeA ^Isl1ไปยังการก่อตัวของร่างแหพาร์โวเซลลูลาร์ (PCRt) และนิวเคลียสเทกเมนทัลเพดุนคูโลพอนไทน์ (PPtg) ส่งผลให้ความถี่และระยะเวลาของการกัดเพิ่มขึ้น ซึ่งชี้ให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างสถานะแรงจูงใจและผลลัพธ์ของการเคลื่อนไหว^{[ 96 ]}

คอร์เทกซ์ซิงกูเลตส่วนหน้า

เทคนิคออปโตเจเนติกส์ยังถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบเส้นทางความเจ็บปวดที่เกี่ยวข้องกับความเจ็บปวดเรื้อรังและความเจ็บปวดจากระบบประสาท^{[ 97 ]}คอร์เทกซ์ซิงกูเลตส่วนหน้า (ACC) เป็นโครงสร้างที่มีการเชื่อมต่อกันอย่างมากภายในระบบลิมบิกซึ่งรับผิดชอบในการประมวลผลความเจ็บปวด การเสริมศักยภาพระยะยาวของสัญญาณเหล่านี้เป็นลักษณะเฉพาะของการพัฒนาความเจ็บปวดจากระบบประสาท^{[ 98 ]}การกระตุ้นเซลล์ประสาทที่ยับยั้งใน ACC ที่แสดงออกถึงแชนเนลโรดอปซิน-2 ส่งผลให้การตอบสนองต่อความเจ็บปวดเฉียบพลันแบบสะท้อนกลับในหนูลดลง การศึกษาดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าการปรับเปลี่ยนเส้นทางการยับยั้งที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลความเจ็บปวดเป็นวิธีการที่ใช้ได้ผลในการควบคุมความเจ็บปวดจากการอักเสบและความเจ็บปวดจากระบบประสาท^{[ 99 ]}

การกระตุ้นเซลล์ประสาทรับกลิ่นด้วยออปโตเจเนติกส์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสาธิตจังหวะเวลาในการประมวลผลกลิ่น^{[ 100 ]}และกลไกของพฤติกรรมที่นำทางด้วยกลิ่นโดยอาศัยการปรับเปลี่ยนระบบ ประสาท (เช่นความก้าวร้าวการผสมพันธุ์ ) ^{[ 101 ]}นอกจากนี้ ด้วยความช่วยเหลือของออปโตเจเนติกส์ หลักฐานได้รับการสร้างขึ้นใหม่เพื่อแสดงให้เห็นว่า "ภาพติดตา" ของกลิ่นจะกระจุกตัวอยู่บริเวณส่วนกลางของหลอดรับกลิ่นมากกว่าบริเวณรอบนอกซึ่งเป็นที่ตั้งของเซลล์ประสาทรับกลิ่น หนูทรานส์เจนิกที่ติดเชื้อแชนเนล-โรดอปซิน Thy1-ChR2 ได้รับการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ 473 นาโนเมตรที่วางตำแหน่งเหนือส่วนหลังของหลอดรับกลิ่นผ่านทางกะโหลกศีรษะ การกระตุ้นด้วยแสงเป็นเวลานานขึ้นของเซลล์ไมทรัลในหลอดรับกลิ่นนำไปสู่การสังเกตกิจกรรมของเซลล์ประสาทที่คงอยู่นานขึ้นในบริเวณนั้นหลังจากการกระตุ้นด้วยแสงหยุดลง ซึ่งหมายความว่าระบบประสาทรับกลิ่นสามารถเปลี่ยนแปลงในระยะยาวและรับรู้ความแตกต่างระหว่างกลิ่นเก่าและกลิ่นใหม่ได้^{[ 102 ]}

ออปโตเจเนติกส์ พฤติกรรมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่เคลื่อนไหวได้อย่าง อิสระ สรีรวิทยาไฟฟ้า ในร่างกายและสรีรวิทยาของชิ้นส่วนเนื้อเยื่อได้ถูกนำมาบูรณาการเพื่อตรวจสอบ เซลล์ประสาท โคลิ นเนอร์จิก ของนิวเคลียสแอคคัมเบนส์โดยการกระตุ้นหรือยับยั้งโดยตรง แม้ว่าจะมีจำนวนน้อยกว่า 1% ของประชากรเซลล์ประสาทแอคคัมเบนส์ทั้งหมด แต่เซลล์โคลินเนอร์จิกเหล่านี้สามารถควบคุมกิจกรรมของปลายประสาทโดปามีนเนอร์จิกที่เชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทหนามขนาดกลาง (MSNs) ในนิวเคลียสแอคคัมเบนส์ได้^{[ 103 ]}เป็นที่ทราบกันดีว่า MSNs ในแอคคัมเบนส์เหล่านี้มีส่วนเกี่ยวข้องกับเส้นทางประสาทที่โคเคนออกฤทธิ์ เนื่องจากพบว่าการลดการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากโคเคนในกิจกรรมของเซลล์ประสาทเหล่านี้สามารถยับยั้งการปรับสภาพโคเคน^ได้เซลล์ประสาทโคลินเนอร์จิกจำนวนน้อยที่มีอยู่ในนิวเคลียสแอคคัมเบนส์อาจเป็นเป้าหมายที่เหมาะสมสำหรับการรักษาด้วยยาในการรักษาภาวะติดโคเคน [ ^{50 ]}

การบันทึก ในร่างกายและนอกร่างกายจากห้องปฏิบัติการออปโตสรีรวิทยาของ Donald C. Cooper Ph.D. มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ แสดงให้เห็นเซลล์ประสาทพีระมิด ที่แสดงออก CAMKII AAV-ChR2 แต่ละตัว ภายในคอร์เทกซ์ส่วนหน้าซึ่งแสดงเอาต์พุตศักยภาพการกระทำที่มีความแม่นยำสูงด้วยพัลส์แสงสีฟ้าสั้นๆ ที่ 20 Hz ( รูปที่ 1 ) ^{[ 42 ]}

คอร์เทกซ์มอเตอร์และพิริฟอร์ม

การกระตุ้นด้วยแสงแบบออปโตเจเนติกซ้ำๆ ในสัตว์ที่มีสุขภาพดีใน ร่างกายสามารถทำให้เกิดอาการชักได้ในที่สุด^{[ 104 ]}แบบจำลองนี้เรียกว่า ออปโตคินด์ลิง การศึกษาในหลอดทดลองเผยให้เห็นการสูญเสียการยับยั้งแบบป้อนกลับในวงจรพิริฟอร์มเนื่องจากการสังเคราะห์ GABA บกพร่อง^{[ 105 ]}

ออปโตเจเนติกส์ถูกนำมาใช้กับเซลล์กล้ามเนื้อ หัวใจห้องบน เพื่อยุติภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ แบบคลื่นเกลียว ซึ่งพบว่าเกิดขึ้นใน ภาวะ หัวใจห้องบนสั่น พลิ้ว โดยใช้แสง^{[ 106 ]}วิธีนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา การศึกษาล่าสุดได้สำรวจความเป็นไปได้ของออปโตเจเนติกส์ในฐานะวิธีการแก้ไขภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะและปรับจังหวะการเต้นของหัวใจใหม่ การศึกษานี้ได้นำแชนเนลโรดอปซิน-2 เข้าสู่เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจในบริเวณห้องล่างของหัวใจของหนูทรานส์เจนิก และทำการศึกษาการกระตุ้นด้วยแสงในหลอดทดลองในหนูทั้งแบบเปิดช่องและแบบปิดช่อง การกระตุ้นด้วยแสงนำไปสู่การกระตุ้นเซลล์ที่เพิ่มขึ้น และทำให้การหดตัวของห้องล่างเพิ่มขึ้น ส่งผลให้หัวใจเต้นเร็วขึ้น นอกจากนี้ วิธีการนี้ยังถูกนำไปใช้ในการบำบัดด้วยการปรับจังหวะการเต้นของหัวใจ ( CRT ) ในฐานะเครื่องกระตุ้นหัวใจทางชีวภาพแบบใหม่เพื่อทดแทน CRT ที่ใช้ขั้วไฟฟ้า^{[ 107 ]}เมื่อไม่นานมานี้ ออปโตเจเนติกส์ถูกนำมาใช้ในหัวใจเพื่อกระตุ้นหัวใจห้องล่างที่เกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะด้วยการฉายแสงเฉพาะที่บริเวณเยื่อหุ้มหัวใจ^{[ 108 ]}การฉายแสงทั่วทั้งหัวใจ^{[ 109 ]}หรือด้วยรูปแบบการกระตุ้นที่กำหนดเองตามกลไกการเกิดภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะเพื่อลดพลังงานในการกระตุ้นหัวใจ^{[ 110 ]}

การกระตุ้นปมประสาทเกลียวใน หนู ที่หูหนวก ด้วยวิธีออปโตเจเนติกส์ ช่วยฟื้นฟูการทำงานของการได้ยิน^{[ 111 ]}การประยุกต์ใช้ออปโตเจเนติกส์กับ บริเวณ โคเคลียช่วยให้สามารถกระตุ้นหรือยับยั้งเซลล์ปมประสาทเกลียว (SGN) ได้ นอกจากนี้ เนื่องจากลักษณะเฉพาะของศักยภาพพักของ SGN จึงมีการใช้โปรตีนแชนเนลโรดอปซิน-2 สายพันธุ์ต่างๆ เช่น Chronos ^{[ 112 ]} CatCh และ f-Chrimson ^{[ 113 ]}สายพันธุ์ Chronos และ CatCh มีประโยชน์เป็นพิเศษตรงที่ใช้เวลาอยู่ในสถานะปิดใช้งานน้อยกว่า ซึ่งช่วยให้มีการทำงานมากขึ้นด้วยการปล่อยแสงสีฟ้าเป็นช่วงๆ น้อยลง นอกจากนี้ การใช้ช่องสัญญาณที่เลื่อนไปทางสีแดงที่ได้รับการดัดแปลงทางวิศวกรรม เช่น f-Chrimson ช่วยให้สามารถกระตุ้นโดยใช้ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของความเป็นพิษต่อแสงในระยะยาวโดยไม่กระทบต่อความเร็วในการเปิดปิด^{[ 114 ]}ผลที่ได้คือ LED ที่ผลิตแสงจะต้องการพลังงานน้อยลง และแนวคิดเกี่ยวกับประสาทหูเทียมที่เชื่อมโยงกับการกระตุ้นด้วยแสงจะมีความเป็นไปได้มากขึ้น^{[ 115 ]}

การกระตุ้นด้วยแสงของแชนเนลโรดอปซินที่ไวต่อแสงสีแดง (ReaChR) ที่ดัดแปลงแล้วซึ่งแสดงออกในนิวเคลียสของมอเตอร์ใบหน้าทำให้สามารถกระตุ้นเซลล์ประสาท สั่งการได้อย่างมี ประสิทธิภาพในการควบคุมการเคลื่อนไหวของหนวดในหนู^{[ 116 ]}การศึกษาใหม่ชิ้นหนึ่งใช้ออปโตเจเนติกส์กับนิวเคลียสดอร์ซัลราเฟเพื่อทั้งกระตุ้นและยับยั้งการปล่อยโดปามีนไปยังบริเวณเวนทรัลเทกเมนทัล เพื่อให้เกิดการกระตุ้น หนูทรานส์เจนิกจะถูกติดเชื้อด้วยแชนเนลโรดอปซิน-2 ที่มีโปรโมเตอร์ TH-Cre และเพื่อให้เกิดการยับยั้ง ออปซินไฮเปอร์โพลาไรซ์ NpHR จะถูกเพิ่มเข้าไปในโปรโมเตอร์ TH-Cre ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นเซลล์ประสาทโดปามีนด้วยแสงนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของปฏิสัมพันธ์ทางสังคม และการยับยั้งเซลล์ประสาทเหล่านั้นจะลดความต้องการในการเข้าสังคมลงหลังจากช่วงเวลาของการแยกตัวเท่านั้น^{[ 117 ]}

การศึกษาระบบการมองเห็นโดยใช้ออปโตเจเนติกส์อาจเป็นเรื่องท้าทาย เนื่องจากแสงที่ใช้ในการควบคุมออปโตเจเนติกส์อาจนำไปสู่การกระตุ้นโฟโตรีเซปเตอร์ อันเป็นผลมาจากความใกล้ชิดระหว่างวงจรการมองเห็นหลักและโฟโตรีเซปเตอร์เหล่านี้ ในกรณีนี้ การเลือกตำแหน่งเชิงพื้นที่ทำได้ยาก (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของกลีบตาของแมลงวัน) ดังนั้น การศึกษาระบบการมองเห็นจึงต้องอาศัยการแยกสเปกตรัม โดยใช้ช่องสัญญาณที่ถูกกระตุ้นด้วยความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างจากโรดอปซินภายในโฟโตรีเซปเตอร์ (การกระตุ้นสูงสุดที่ 480 นาโนเมตรสำหรับโรดอปซิน 1 ในDrosophila ) CsChrimson ที่เลื่อนไปทางสีแดง^{[ 118 ]}หรือแชนเนลโรดอปซินแบบสองสถานะ^{[ 119 ]}ถูกใช้สำหรับการกระตุ้นเซลล์ประสาทด้วยออปโตเจเนติกส์ (เช่น การลดขั้ว) เนื่องจากทั้งสองชนิดช่วยให้สามารถแยกสเปกตรัมได้ เพื่อให้ได้การปิดการทำงานของเซลล์ประสาท (เช่นการเพิ่มขั้ว ) แชนเนลโรดอปซินแอนไอออนที่ค้นพบในสาหร่ายคริปโตไฟต์ชนิดGuillardia theta (ชื่อ GtACR1) ^{[ 120 ]}สามารถนำมาใช้ได้ GtACR1 มีความไวต่อแสงมากกว่าช่องยับยั้งอื่นๆ เช่น ปั๊มคลอไรด์ในกลุ่ม Halorhodopsin และทำให้เกิดการนำไฟฟ้าสูง เนื่องจากจุดสูงสุดของการกระตุ้น (515 นาโนเมตร) ใกล้เคียงกับของ Rhodopsin 1 จึงจำเป็นต้องปรับเทียบแสงออปโตเจเนติกส์และสิ่งเร้าทางสายตาอย่างระมัดระวัง ปัจจัยที่ต้องพิจารณา ได้แก่ ความยาวคลื่นของแสงออปโตเจเนติกส์ (อาจสูงกว่าจุดสูงสุดของการกระตุ้นของ GtACR1) ขนาดของสิ่งเร้า (เพื่อหลีกเลี่ยงการกระตุ้นช่องสัญญาณโดยแสงสิ่งเร้า) และความเข้มของแสงออปโตเจเนติกส์ พบว่า GtACR1 สามารถเป็นเครื่องมือยับยั้งที่มีประโยชน์ในการศึกษาออปโตเจเนติกส์ของ ระบบการมองเห็นของ Drosophilaโดยการปิดกั้นการแสดงออกของเซลล์ประสาท T4/T5 ^{[ 121 ]}การศึกษาเหล่านี้ยังสามารถดำเนินการกับสัตว์ที่มีพฤติกรรมปกติได้ เช่น เพื่อตรวจสอบการตอบสนองของออปโตมอเตอร์

การยับยั้งหรือกระตุ้นเซลล์ประสาทด้วยออปโตเจเนติกส์เป็นการทดสอบความจำเป็นและความเพียงพอของเซลล์ประสาทเหล่านั้นในการสร้างพฤติกรรม^{[ 122 ]}ด้วยวิธีการนี้ นักวิจัยสามารถวิเคราะห์วงจรประสาทที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของร่างกายได้ โดยการรบกวนเซลล์ประสาทในหลายๆ จุดในระบบรับรู้และสั่งการ นักวิจัยได้เรียนรู้เกี่ยวกับบทบาทของเซลล์ประสาทที่ลงมาในการกระตุ้นพฤติกรรมซ้ำๆ^{[ 123 ]}วิธีที่ข้อมูลสัมผัสเฉพาะที่^{[ 124 ]}และกิจกรรมของเซลล์ประสาทเชื่อมต่อ^{[ 125 ]}เปลี่ยนแปลงการเคลื่อนไหว และบทบาทของเซลล์ Purkinjeในการสร้างและปรับเปลี่ยนการเคลื่อนไหว^{[ 126 ]}นี่เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการทำความเข้าใจพื้นฐานทางประสาทของการเคลื่อนไหวของสัตว์และการเคลื่อนไหวโดยทั่วไป

แอคทูเอเตอร์ออปโตเจเนติกที่มีอยู่ในปัจจุบันช่วยให้สามารถควบคุมการแทรกแซงที่ต้องการ (เช่น การยับยั้งหรือการกระตุ้นเซลล์ประสาทเป้าหมาย) ได้อย่างแม่นยำตามเวลา โดยความแม่นยำมักจะลดลงไปถึงระดับมิลลิวินาที^{[ 127 ]}อย่างไรก็ตาม ความแม่นยำตามเวลาจะแตกต่างกันไปในแต่ละแอคทูเอเตอร์ออปโตเจเนติก^{[ 128 ]}และขึ้นอยู่กับความถี่และความเข้มของการกระตุ้น^{[ 81 ]}

ขณะนี้สามารถออกแบบการทดลองได้ โดยที่แสงที่ใช้สำหรับการแทรกแซงจะถูกกระตุ้นด้วยองค์ประกอบเฉพาะของพฤติกรรม (เพื่อยับยั้งพฤติกรรม) สิ่งเร้าที่ไม่ต้องปรับเงื่อนไขเฉพาะ (เพื่อเชื่อมโยงบางสิ่งกับสิ่งเร้านั้น) หรือเหตุการณ์การสั่นเฉพาะในสมอง (เพื่อยับยั้งเหตุการณ์นั้น) ^{[ 129 ] [ 130 ]}แนวทางประเภทนี้ได้ถูกนำมาใช้แล้วในหลายบริเวณของสมอง:

คลื่นแหลมและกลุ่มคลื่นระลอก (SWRs) เป็นเหตุการณ์การสั่นความถี่สูงที่แตกต่างกันในฮิปโปแคมปัสซึ่งเชื่อว่ามีบทบาทในการสร้างและการรวมความทรงจำ เหตุการณ์เหล่านี้สามารถตรวจจับได้ง่ายโดยการติดตามรอบการสั่นของศักยภาพสนามเฉพาะที่ ที่บันทึกแบบออนไลน์ ด้วยวิธีนี้ การเริ่มต้นของเหตุการณ์สามารถใช้เป็นสัญญาณกระตุ้นสำหรับแสงแฟลชที่นำกลับเข้าไปในฮิปโปแคมปัสเพื่อยับยั้งเซลล์ประสาทโดยเฉพาะในช่วง SWRs และเพื่อยับยั้งการสั่นนั้นเองด้วยวิธีการทางออปโตเจเนติกส์^{[ 131 ]}การทดลองแบบ "วงปิด" ประเภทนี้มีประโยชน์ในการศึกษาคอมเพล็กซ์ SWR และบทบาทของมันในความทรงจำ

ในทำนองเดียวกันกับช่องไอออนที่ควบคุมด้วยแสงตามธรรมชาติ เช่น แชนเนลโรดอปซิน-2 ที่ช่วยให้สามารถควบคุมการไหลของไอออนด้วยแสง ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในด้านประสาทวิทยาศาสตร์ โปรตีนการส่งสัญญาณที่ควบคุมด้วยแสงตามธรรมชาติยังช่วยให้สามารถควบคุมเส้นทางชีวเคมีด้วยแสง รวมถึงการสร้างตัวส่งสัญญาณตัวที่สองและการโต้ตอบระหว่างโปรตีน ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในการศึกษาชีววิทยาของเซลล์และการพัฒนา^{[ 133 ]}ในปี 2545 มีการสาธิตตัวอย่างแรกของการใช้โฟโตโปรตีนจากสิ่งมีชีวิตอื่นเพื่อควบคุมเส้นทางชีวเคมีโดยใช้การโต้ตอบที่เกิดจากแสงระหว่างไฟโตโครมของพืชและปัจจัยโต้ตอบไฟโตโครม (PIF) เพื่อควบคุมการถอดรหัสยีนในยีสต์^{[ 2 ]}โดยการเชื่อมไฟโตโครมเข้ากับโดเมนที่จับกับ DNA และ PIF เข้ากับโดเมนการกระตุ้นการถอดรหัส การกระตุ้นการถอดรหัสของยีนที่รู้จักโดยโดเมนที่จับกับ DNA สามารถเหนี่ยวนำได้ด้วยแสง^{[ 2 ]}การศึกษานี้คาดการณ์ถึงแง่มุมของการพัฒนาออปโตเจเนติกส์ในสมองในภายหลัง ตัวอย่างเช่น โดยแนะนำว่า "การส่งแสงโดยตรงด้วยใยแก้วนำแสงมีศักยภาพที่จะกำหนดเป้าหมายเซลล์หรือเนื้อเยื่อที่เลือกไว้ แม้กระทั่งในสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่และทึบแสงกว่า" ^{[ 2 ]}วรรณกรรมมีความไม่สอดคล้องกันว่าการควบคุมชีวเคมีของเซลล์ด้วยโฟโตโปรตีนควรถูกรวมไว้ในคำจำกัดความของออปโตเจเนติกส์หรือไม่ เนื่องจากออปโตเจเนติกส์ในการใช้งานทั่วไปหมายถึงการควบคุมการยิงของเซลล์ประสาทด้วยออปซินโดยเฉพาะ^{[ 134 ] [ 135 ] [ 136 ] [ 137 ]}และเนื่องจากการควบคุมการยิงของเซลล์ประสาทด้วยออปซินเกิดขึ้นภายหลังและใช้กลไกที่แตกต่างจากการควบคุมชีวเคมีของเซลล์ด้วยโฟโตโปรตีน^{[ 133 ]}

นอกจากไฟโตโครมซึ่งพบในพืชและไซยาโนแบคทีเรียแล้ว โดเมน LOV ( โดเมนรับรู้แสง-ออกซิเจน-แรงดันไฟฟ้า ) จากพืชและยีสต์ และโดเมนคริปโตโครมจากพืช ยังเป็นโดเมนรับรู้แสงตามธรรมชาติอื่นๆ ที่ถูกนำมาใช้ในการควบคุมทางแสงของวิถีทางชีวเคมีในเซลล์^{[ 138 ] [ 133 ]}นอกจากนี้ ยังมีการสร้างโดเมนรับรู้แสงสังเคราะห์ขึ้นจากโปรตีนเรืองแสง Dronpa เพื่อใช้ในการควบคุมทางแสงของวิถีทางชีวเคมี^{[ 133 ]}ในโดเมนรับรู้แสง การดูดซับแสงจะเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงในปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนกับโปรตีน (ในกรณีของไฟโตโครม โดเมน LOV บางส่วน คริปโตโครม และ Dronpa กลายพันธุ์) หรือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่ทำให้ส่วนของโปรตีนที่เชื่อมโยงกันปรากฏออกมา หรือเปลี่ยนแปลงกิจกรรมของโดเมนโปรตีนที่เชื่อมโยงกัน (ในกรณีของไฟโตโครมและโดเมน LOV บางส่วน) ^{[ 133 ]}ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนที่ควบคุมด้วยแสงสามารถนำมาใช้เพื่อดึงดูดโปรตีนไปยัง DNA เช่น เพื่อกระตุ้นการถอดรหัสยีนหรือการดัดแปลง DNA หรือไปยังเยื่อหุ้มเซลล์ เช่น เพื่อกระตุ้นโปรตีนส่งสัญญาณที่อยู่ภายใน^{[ 132 ] [ 139 ] [ 140 ] [ 141 ] [ 142 ] [ 143 ] CRY2 ยังรวมกลุ่มกันเมื่อทำงานดังนั้นจึงถูกหลอมรวมกับโดเมน ส่งสัญญาณและกระตุ้นด้วย แสง}ในภายหลังเพื่อให้สามารถเปิดใช้งานโดยอาศัยการรวมกลุ่มได้^{[ 144 ] โดเมน} LOV2 ของAvena sativa (ข้าวโอ๊ตทั่วไป) ถูกนำมาใช้เพื่อเปิดเผยเปปไทด์สั้นๆ หรือโดเมนโปรตีนที่ทำงานในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับแสง^{[ 145 ] [ 146 ] [ 147 ]}การนำโดเมน LOV นี้เข้าไปในโปรตีนอื่นสามารถควบคุมการทำงานผ่านความผิดปกติของเปปไทด์ที่เกิดจากแสงได้^{[ 148 ]}โปรตีน asLOV2 ซึ่งเปิดเผยเปปไทด์ด้วยวิธีการออปโตเจเนติกส์ ยังถูกใช้เป็นโครงสร้างสำหรับระบบการสร้างไดเมอร์และการแยกตัวด้วยแสงสังเคราะห์หลายระบบ (iLID และ LOVTRAP ตามลำดับ) ^{[ 149 ] [ 150 ]}ระบบเหล่านี้สามารถใช้เพื่อควบคุมโปรตีนผ่านกลยุทธ์การแยกโปรตีน^{[ 151 ]}โดเมน Dronpa ที่แยกตัวได้ด้วยแสงยังถูกใช้เพื่อกักขังบริเวณออกฤทธิ์ของโปรตีนในที่มืด ปลดปล่อยมันหลังจากฉายแสงสีฟ้า และกักขังมันอีกครั้งหลังจากฉายแสงสีม่วง^{[ 152 ]}

กำลังมีการสำรวจความสามารถในการควบคุมสัญญาณด้วยแสงในช่วงเวลาต่างๆ เพื่ออธิบายว่าเส้นทางการส่งสัญญาณของเซลล์แปลงระยะเวลาของสัญญาณและการตอบสนองไปเป็นเอาต์พุตที่แตกต่างกันได้อย่างไร^{[ 153 ]}ลำดับการส่งสัญญาณตามธรรมชาติสามารถตอบสนองด้วยเอาต์พุตที่แตกต่างกันไปตามความแตกต่างของระยะเวลาและพลวัตของการกระตุ้น^{[ 154 ]}ตัวอย่างเช่น การรักษาเซลล์ PC12 ด้วยปัจจัยการเจริญเติบโตของผิวหนัง (EGF ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิดโปรไฟล์กิจกรรม ERK ชั่วคราว) นำไปสู่การเพิ่มจำนวนเซลล์ ในขณะที่การนำปัจจัยการเจริญเติบโตของเส้นประสาท (NGF ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิดโปรไฟล์กิจกรรม ERK อย่างต่อเนื่อง) นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์ที่คล้ายเซลล์ประสาท^{[ 155 ]}พฤติกรรมนี้ได้รับการกำหนดลักษณะเบื้องต้นโดยใช้การประยุกต์ใช้ EGF และ NGF แต่การค้นพบนี้ได้รับการจำลองซ้ำบางส่วนด้วยอินพุตทางแสง^{[ 156 ]}นอกจากนี้ ยังมีการค้นพบวงจรป้อนกลับเชิงลบอย่างรวดเร็วในเส้นทาง RAF-MEK-ERK โดยใช้การกระตุ้นแบบพัลส์ของ RAF ที่สามารถเปลี่ยนสถานะด้วยแสงซึ่งได้รับการออกแบบด้วยโดเมน Dronpa ที่แยกตัวได้ด้วยแสง^{[ 152 ]}

กลุ่มวิจัยของศาสตราจารย์ Elias Manjarrez ได้นำเสนอการกระตุ้นด้วยแสงรบกวนแบบออปโตเจเนติก^{[ 157 ] [ 158 ] [ 159 ]}ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้แสงรบกวนแบบสุ่มเพื่อกระตุ้นเซลล์ประสาทที่แสดงออก ChR2 ระดับการกระตุ้นด้วยแสงรบกวนแบบออปโตเจเนติกที่เหมาะสมบนสมองสามารถเพิ่มศักยภาพสนามที่เกิดจากการกระตุ้นทางประสาทสัมผัส ความถี่ในการตอบสนองการยิงของเซลล์ประสาทพีระมิดต่อการกระตุ้นทางประสาทสัมผัส และแอมพลิจูดของกระแสโซเดียม

ในปี 2010 ออปโตเจเนติกส์ได้รับการคัดเลือกให้เป็น "วิธีการแห่งปี" ในทุกสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมโดยวารสารวิจัยสหวิทยาการNature Methods ^{[ 160 ]}และได้รับการเน้นย้ำในวารสารวิจัยวิชาการScienceในหัวข้อ "ความก้าวหน้าแห่งทศวรรษ" ^{[ 161 ] [ 162 ] [ 136 ]}ในปีเดียวกันนั้น Georg Nagel, Peter Hegemann และ Ernst Bamberg ได้รับรางวัลWiley Prize ในสาขาวิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์^{[ 163 ]}และเป็นหนึ่งในผู้ที่ได้รับรางวัล Karl Heinz Beckurts Prize ^{[ 164 ]}นอกจากนี้ Karl Deisseroth ยังได้รับรางวัลHFSP Nakasone Award ครั้งแรก สำหรับ "ผลงานบุกเบิกของเขาในการพัฒนาวิธีการออปโตเจเนติกส์เพื่อศึกษาการทำงานของเครือข่ายประสาทที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรม" ^{[ 165 ]}

ในปี 2012 Bamberg, Deisseroth, Hegemann และ Nagel ได้รับรางวัล Zülch จากสมาคม Max Planck [ ^{166 ] และ Miesenböck ได้รับรางวัล Baillet Latour Health Prize สำหรับ "การ บุกเบิก}แนวทางออปโตเจเนติกส์เพื่อจัดการกิจกรรมของเซลล์ประสาทและควบคุมพฤติกรรมของสัตว์" ^{[ 167 ]}

ในปี 2013 Georg Nagel และ Hegemann เป็นหนึ่งในผู้ที่ได้รับรางวัลLouis-Jeantet Prize for Medicine [ ^{168 ] ใน}ปีเดียวกันนั้น Bamberg, Boyden, Deisseroth, Hegemann, Miesenböck และ Georg Nagel ได้รับรางวัลThe Brain Prize ร่วมกัน สำหรับ "การคิดค้นและปรับปรุงออปโตเจเนติกส์" ^{[ 169 ] [ 170 ]}

ในปี 2017 Deisseroth ได้รับรางวัลElse Kröner Fresenius Research Prize สำหรับ "การค้นพบของเขาในด้านออปโตเจเนติกส์และเคมีของเนื้อเยื่อไฮโดรเจล ตลอดจนการวิจัยของเขาเกี่ยวกับพื้นฐานวงจรประสาทของภาวะซึมเศร้า" ^{[ 171 ]}

ในปี 2018 มูลนิธิอินาโมริได้มอบรางวัลเกียวโต ให้แก่ดีสเซอรอธ ในฐานะ "ผู้บุกเบิกออปโตเจเนติกส์" และ "ผู้ปฏิวัติการวิจัยระบบประสาทวิทยา" ^{[ 172 ]}

ในปี 2019 Bamberg, Boyden, Deisseroth, Hegemann, Miesenböck และ Georg Nagel ได้รับรางวัลRumford PrizeจากAmerican Academy of Arts and Sciencesเพื่อเป็นการยกย่อง "ผลงานอันโดดเด่นของพวกเขาที่เกี่ยวข้องกับการคิดค้นและปรับปรุงออปโตเจเนติกส์" ^{[ 173 ]}

ในปี 2020 Deisseroth ได้รับรางวัลHeineken Prize for Medicine จากราชบัณฑิตยสถานศิลปะและวิทยาศาสตร์แห่งเนเธอร์แลนด์สำหรับการพัฒนาออปโตเจเนติกส์และเคมีเนื้อเยื่อไฮโดรเจล^{[ 174 ]} ในปีเดียวกันนั้น Miesenböck, Hegemann และ Georg Nagel ได้รับ รางวัล Shaw Prizeสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพและการแพทย์ร่วมกัน^{[ 175 ]}

ในปี 2021 เฮเกมันน์ ไดส์เซอรอธ และดีเตอร์ โอสเตอร์เฮลท์ได้รับ รางวัลอัลเบิ ร์ ต ลาสเกอร์ สำหรับงานวิจัยทางการแพทย์พื้นฐาน

ในปี 2022 ศูนย์การแพทย์ Irving แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้มอบรางวัล Louisa Gross Horwitz ให้แก่ Deisseroth, Hegemann และ Miesenböck สำหรับงานวิจัยของพวกเขาซึ่งวางรากฐานให้กับสาขาออปโตเจเนติกส์ในที่สุด^{[ 176 ]}

ลองค้นหาคำว่า optogeneticsใน Wiktionary ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• "ออปโตเจเนติ กส์: ไขความลับของสมอง" Scientifica
• "ออปโตเจเนติกส์: การถ่ายภาพแคลเซียมแบบบูรณาการและออปโตเจเนติกส์" . Inscopix . 6 เมษายน 2020.