ダートマス大学

課題

ダートマス大学のMichael Hoppa教授が所属する研究所の基礎研究は、てんかんおよびその他の遺伝性神経系疾患の治療に役立つ可能性があります。これらの疾患には、脳を形成する複雑なニューロンのネットワークでの障害のシグナル（シナプス機能不全）が関係することが知られています。「私たちは、遺伝的疾患が、すべてのニューロンの基本的なシグナル伝達メカニズムである活動電位（AP）および関連する化学物質の排出にどのように影響するかを研究しています。サブミクロンの空間分解能とミリ秒よりはるかに短い時間分解能で、これに関する詳細な調査を実行しています」と教授は述べています。この空間分解能により、活動電位事象を小さな（直径200 nm未満）の軸索および他の細胞内の要素で追跡できます。教授らは、自らの洞察が治療と成果の改善につながることを願っています。 

Michael教授は、自身のグループが分子生物学を使用してこれらの疾患の遺伝子を操作し、さらに生理学と薬理学をオプトジェネティクスと定量的蛍光顕微鏡法に組み合わせて利用していると説明しています。重要なツールとして、ロドプシンタイプの蛍光電圧インジケータを使用し、カルシウム蛍光のような遅い二次的なシグナルを追跡するのではなく、基本的なシグナル（AP）を直接ターゲットとしています。データの品質は、インジケータと作業に使用する他のプローブの励起とイメージングに使用されるレーザのパフォーマンスに大きく依存します。研究でさまざまなプローブを選択して励起するためには、複数のレーザの波長が必要です。「私たちは常にSN比、つまり光子を追跡しています。このために、特定のプローブの明るさに応じて、50～150ミリワットが必要です」とMichael教授は述べています。

ソリューション

Michael教授は、この研究を始めるときに150 mWの出力を持つ637 nmレーザを必要としていました。教授は、Coherent OBISを選択する前にいくつかのレーザを調査し、これを選ぶ理由をいくつか見出しました。「私たちの大半の仕事での重要な要件として、高速なアナログ変調と非常に安定した出力特性を備えたレーザが必要です。OBISレーザは、私たちが試したレーザの中で、検出不可能な遅延時間と、パルス発生中に完全に安定した出力を両立した唯一のレーザでした」と話しています。教授は、このレーザが必要だったのは、電圧インジケータがわずか数百マイクロ秒の高速応答を実現しているからであると説明しています。教授のチームは、この時間分解能を活用し、APがどのように記録されるかの時間的な詳細を確認するために、高速の立上り時間および立下り時間による高速変調を必要としています。400 µsなどの短い正方形パルスは、切除された生きたニューロンがさらされる総光量を最小限に抑えるためにも重要です。（チームが研究を開始した初期段階に、哺乳類の脳のニューロンが、あらゆる種類の連続的な光にさらされてから死ぬまでの速さに驚いたと教授は言います。当然ながら、それらは通常、頭蓋骨内の完全な暗闇の中で生きています）

ニューロンのシミュレーションは多くの場合、小さなプラチナの電極を使用して開始されます。2017年以降、グループは、光学法とパッチクランプ技術を組み合わせて、データに別の次元を追加しました。グループ全体で現在、可視スペクトルの大部分をカバーする12台のOBISレーザを所有しています。複数のOBISレーザの出力が顕微鏡の上流でどのように組み合わされるかは、グループが作成した「Game of Photons」という名前の素晴らしいビデオで見ることができます。タッチスクリーンと単一のボードを使用して簡単に操作を行うことができます。操作はArduinoチップからのパルスによってトリガされ、最大2,000画像/秒ですべての実験のタイミングを制御します。Michael教授はまた、これらのレーザの優れた信頼性についても言及しており、そのうちのいくつかは現在7年以上使用してもパフォーマンスの問題が一切ないと言います。 

成果

Michael教授のグループは、これらの技術に基づいて多数の論文を発表し、手法とプローブ自体の両方の進歩を示して、さらにいくつかの電位依存性イオンチャネルの新しい役割の詳細を明らかにしています。Michael教授は、「脳内の情報の流れを制御する軸索とシナプスのイオンチャネルとその結合相手の組織、機能、治療の可能性の特定において私たちは大きな進歩を遂げたと信じています」と話しています。研究グループは成長を続けており、現在、大学院生と博士研究員の両方を募集しています。このグループの成長の原動力となっているのは、明らかにMichael教授がもつ周りに影響を与えるほどの科学に対する強い熱意です。「私の活動の場で生まれるアイデアには、あらゆるレーザ、プラチナ電極、多くのニューロンとグリア細胞、豊富な蛍光タンパク質があります」と教授は述べています。当社は、Michael教授が重要な潜在的な治療効果のある分野を選び、楽しい活動の場の一部として当社のレーザを選んでくださったことに感謝しています。 

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