Optogenetik ist die Kontrolle der Zellaktivität durch eine Kombination von genetischen und optischen Techniken. Diese Methode begann mit der Entdeckung von Biochemikalien, die zelluläre Reaktionen hervorrufen, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Durch die Isolierung der Gene, die für diese Proteine kodieren, verwenden Wissenschaftler sie, um Lichtreaktionen in anderen lebenden Zellen zu stimulieren. Die Erkenntnisse aus der Optogenetik geben Forschern einen besseren Einblick in verschiedene Krankheitsprozesse.
In den 1970er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass bestimmte Organismen Proteine produzieren, die die elektrischen Ladungen kontrollieren, die normalerweise durch Zellmembranen geleitet werden. Diese Proteine verursachten eine Wechselwirkung zwischen Zellen, wenn sie bestimmten Lichtwellenlängen ausgesetzt wurden. Diese Proteine, allgemein als G-Proteine bezeichnet, werden von einer Gruppe von Genen kodiert, die als Opsine bekannt sind. Während dieser Zeit fanden die Forscher heraus, dass Bakteriorhodopsine auf grünes Licht reagieren. Weitere Forschungen entdeckten andere Mitglieder der Opsin-Familie, einschließlich Channelrhodopsin und Halorhodopsin.
In den Jahren 2000 bis 2010 fanden Neurowissenschaftler heraus, dass es möglich ist, Opsin-Gene zu extrahieren und in andere lebende Zellen einzufügen, die dann die gleiche Lichtempfindlichkeit erlangen. Eine der ursprünglich verwendeten Methoden bestand darin, Opsin-Gene zu entfernen, sie mit einem gutartigen Virus zu kombinieren und sie in lebende Neuronen in einer Petrischale einzufügen. Wenn die injizierten Zellen grünen Lichtimpulsen ausgesetzt wurden, reagierten die Neuronen, indem sie Ionenkanäle öffneten. Bei geöffneten Kanälen erhielten die Zellen einen Einstrom von Ionen, der einen elektrischen Stromfluss verursachte und die Kommunikation mit einem anderen Neuron initiierte. Wissenschaftler entdeckten, dass andere G-Proteine auf unterschiedliche Lichtfarben reagieren, indem sie die Kalziumionenkanäle und die Epinephrinfreisetzung hemmen oder verstärken.
Die Forschung entwickelte sich schließlich von der Anwendung der Optogenetik auf eine kleine Gruppe lebender Zellen zur Verwendung lebender Säugetiere. Durch die Einführung der Opsin-Gene in das Gehirn von Mäusen begannen die Zellen, die G-Proteine zu produzieren. Mit diesen G-Proteinen und Faseroptik konnten die Wissenschaftler die Geschwindigkeit des Neuronenfeuerns kontrollieren. Sie entwickelten auch eine Methode zur Umwandlung einer kleinen optischen Faser in eine Elektrode, um eine elektrische Ablesung der Zellaktivität zu ermöglichen. Diese Gehirn-Computer-Schnittstelle ermöglicht es Forschern, bestimmte Zellgruppen überall im Gehirn zu bewerten und zu regulieren.
Durch die Kombination von Magnetresonanztomographie (MRT) und Optogenetik sind Forscher in der Lage, neuronale Aktivitäten und Bahnen im Gehirn abzubilden. Durch die Erforschung der Feinheiten der neurologischen Funktion gewinnen Ärzte ein besseres Verständnis dafür, was normale und abnormale Gehirnaktivität ausmacht. Im Gegensatz zu Medikamenten und Elektrotherapie ermöglicht die Optogenetik die Regulierung bestimmter Zellen und Signalwege. Das Wissen und die Technologie aus der Optogenetik ermöglichen auch die Kontrolle der Funktion von Herzzellen, Lymphozyten und insulinsezernierenden Pankreaszellen.