人間の脳には1,000億個ものニューロンがあり*、それらがどのように作用しあって、私たちという思考する存在を作り出しているのか、まだわかっていないことがたくさんあります。神経科学者は、脳がどのように機能するのか、神経系がどのように発達するのか、神経疾患や精神疾患をよりよく理解し治療する方法など、大きな疑問への答えを求めています。
神経科学の研究者にとって不可欠なツールであるオプトジェネティクスは、特定の種類のニューロンに光感受性タンパク質をコード化し、光に反応させる技術です。
この斬新な方法により、科学者たちはニューロンを正確にオンまたはオフにすることができ、学習や記憶といった脳の重要なプロセスにおけるニューロンの役割を解明することができます。これらのプロセスは様々な疾患で影響を受ける可能性があります。
オプトジェネティクスでは、研究者がオプシンを含む神経細胞に光を当てると、その細胞を活性化させたり不活性化させたりすることができます。この変化は、脳の神経細胞が活動電位を通じてコミュニケーションをとる基本的な方法とよく似ています。
全光学的手法：神経科学におけるギャップを埋める
活動電位のタイミングには特定の情報が含まれており、オプトジェネティクスは、このコード化された情報を解明し、脳がどのように機能しているかを解読する可能性を秘めています。初期のオプトジェネティクスの実験では、ファイバーから照射されるLED光が利用されていましたが、レーザ、特にフェムト秒レーザを利用することで、光刺激の3次元的な精度が飛躍的に向上しました。
オプトジェネティクスとマルチフォトンイメージングを融合させることで、研究者たちは革新的な「全光学的手法」を開発しました。この手法では、レーザビームは、特定のニューロンを刺激する（または沈黙させる）ために使用され、2番目のレーザビームは、その蛍光特性の変化を感知することによって、相互接続された他のニューロンの活動をマッピングするために使用されます。カルシウムイオンは活動電位を含む代謝活動の変化をマッピングするため、このセンシングにはしばしば蛍光カルシウムイオン指示薬が使用されます。
この方法は、従来の手法と比較して、単一ニューロンの解像度を選択することで、細胞活動の包括的で詳細な視点を提供します。
さらに、電気生理学的手法のような侵襲性や制限もありません。
今日、神経科学の研究者たちは、動物が自然な行動をとるときの何百もの細胞の同期した活動を捉えることができます。
さらに研究者たちは、オプトジェネティクスを用いて、動物の行動中に活動電位を発生させる特定の細胞の活動を阻害し、観察された行動におけるその重要性を確認することを目指しています。
これらの細胞は、同じ回路に属しているにもかかわらず、脳内の異なる深さに位置している可能性があります。これらの細胞を同時にターゲットにする光学セットアップを適応させるために、特別なツールが開発されました。
一般的に、高分散空間光変調器は、体積マルチフォトンオプトジェネティクスのために複数のレーザビームレットを生成するために使用され、各ビームレットは異なる特定のニューロンをターゲットとしています。光摂動の有効性は、センサーからの蛍光シグナルの強度変化をモニターする同時マルチフォトンイメージングに依存しており、これにより細胞の状態（活性または不活性）が明らかになります。
Coherent、オプトジェネティクスのためのソリューションを開拓
全光学的マルチフォトン実験では、アクチュエーター（光学部品）とセンサーのペアとして、赤色オプシン（1000 nm前後の波長に敏感）と緑色インジケーター（900 nm前後の波長に敏感）が最も頻繁に使用されます。このようにスペクトルを分離することで、光刺激と蛍光イメージングのプロセス間の潜在的なクロストークを最小限に抑えます。
マルチフォトン顕微鏡用の新しい蛍光プローブを設計する分野は、特にスペクトルチューニングに重点を置いて、絶えず進化しています。赤にシフトした光は、青にシフトした光よりも組織に深く浸透し、エネルギーが弱く、光損傷を起こしにくくなっています。これは、クロストークを減らすために、オプシンを蛍光ラベルや電圧およびカルシウムインジケーターと組み合わせる場合に特にメリットとなります。
複雑な全光学的実験を容易にするために、Coherentはマルチフォトンオプトジェネティクスとイメージング用のフェムト秒レーザの幅広いポートフォリオを提供しています。
全光学的マルチフォトン実験に取り組む人にとって、Coherentフェムト秒レーザは不可欠です。
Coherent Monaco LXやCoherent Axon 1064のような製品は、単に最先端というだけでなく、様々な研究ニーズや予算の制約に対応できるよう特別に設計されています。
当社の製品範囲に含まれる各レーザは独自の機能を備えており、研究者が必要とする正確なツールを確実に提供します。
オプトジェネティクス：未来への希望の光
オプトジェネティクスの地平は、遠くまで広がっています。医療現場では、てんかんやパーキンソン病、さらにうつ病のような衰弱状態の標的治療への発展が期待されています。
医療にとどまらず、脳コンピューターインターフェースや神経機能代替に革命をもたらす可能性を秘めています。これは、世界と関わり合うための新たな手段を提供することで、麻痺やその他の神経疾患を持つ人々の人生を変える可能性があります。
詳しくは、Coherentのオプトジェネティクス向けソリューションをご覧ください。
