ダートマス大学

挑戦

达特茅斯学院 Michael Hoppa 教授实验室的基础研究可以帮助治疗癫痫和其他与遗传相关的神经性疾病。 众所周知，这些疾病与构成大脑的复杂神经元网络中出现错误信号（突触功能障碍）有关。 他说：“我们研究的是遗传疾病对动作电位 (AP) 和相关化学物质释放有怎样的影响，这是所有神经元的基本信号传导机制。 我们正在以亚微米空间分辨率和远低于一毫秒的时间分辨率对此进行详细调查。”空间分辨率使在小轴突（直径 <200 nm）以及其他亚细胞成分中跟踪 AP 事件成为可能。 他们希望自己的见解可以帮助改善治疗效果。 

マイケル氏は、自身のチームが分子生物学を用いてこれらの疾患に関連する遺伝子を操作し、生理学および薬理学の研究においてオプトジェネティクス技術と定量蛍光顕微鏡を組み合わせて使用していると説明した。ルビノイド型蛍光電圧インジケーターは、カルシウム蛍光のような反応の遅い二次信号を追跡するのではなく、基本信号（AP）に直接焦点を当てるための重要なツールである。 そのデータ品質は、インジケーターの励起やイメージングに用いるレーザー、および研究で使用されるその他のプローブの性能に大きく依存する。研究で用いる様々なプローブを選択的に励起するために、複数のレーザー波長が必要となる。マイケルは次のように付け加えた。「私たちは常に、光子数による信号対雑音比（SNR）の向上を追求しており、そのためには、特定のプローブの輝度に応じて、50～150 mWの出力パワーが必要となります。」

ソリューション

このプロジェクトの開始当初、マイケルは出力150 mWの637 nmレーザーを必要としていました。Coherent する前に、彼はさまざまなレーザーを検討し、この選択に至った理由をいくつか挙げています。「私たちの業務の大部分には、レーザーに高速なアナログ変調と極めて安定した出力特性が求められるという重要な要件があります。 「私たちが試用したレーザーの中で、OBISレーザーはパルス期間中に検出不可能な遅延時間を実現し、かつ出力が極めて安定している唯一のモデルでした」と彼は説明します。電圧インジケーターの応答時間がわずか数百マイクロ秒であるため、この点は不可欠だったと彼は述べています。したがって、彼のチームにとって、この時間分解能を活用し、活動電位（AP）の発生に関する時間的な詳細を観察するためには、高速な変調と立ち上がり・立ち下がり時間が不可欠でした。 さらに重要な点として、短い方形波パルス（例えば400 µs）を使用することで、切除された生きたニューロンが光にさらされる総量を可能な限り最小限に抑えることができます。（彼は、研究の初期段階で、哺乳類の脳ニューロンはどのような種類の連続光にさらされても非常に速い速度で死滅するという驚くべき発見をしたと述べています。もちろん、これらの脳ニューロンは通常、頭蓋骨内の完全な暗闇の中に存在しています。）

ニューロンの刺激は通常、小さな白金電極によって引き起こされます。2017年以降、同チームは光学的手法とパッチクランプ技術を組み合わせることで、データに新たな側面を加えています。現在、同チームは可視光スペクトルの大部分をカバーする、計12台のOBISレーザーを保有しています。 複数のOBISレーザーの出力が顕微鏡の上流でどのように統合されているかを理解するには、同チームが制作した素晴らしい動画「Game of Photons」をご覧になることをお勧めします。タッチスクリーンと単一のパネルによる操作は非常に簡単です。Arduinoチップからのパルスによってトリガーされ、このチップがすべての実験のタイミングを制御し、最大2000フレーム/秒の速度を実現しています。 Michael氏はまた、これらのレーザーが優れた信頼性を備えている点にも言及しました。一部のレーザーは7年以上使用されていますが、性能上の問題は一切発生していません。 

成果

Hoppaチームはこれらの技術に基づき、採用した手法やプローブ自体の進歩について論じた複数の論文を発表し、いくつかの電圧依存性イオンチャネルの働きに関する新たな詳細を明らかにしました。Michael氏は、「イオンチャネルや、軸索およびシナプスにおけるその結合パートナーが、脳内の情報の流れを制御する上で果たす組織的・機能的役割、そして治療上の可能性を解明する上で、我々は目覚ましい進展を遂げたと確信しています」と述べています。彼の研究チームは拡大を続けており、現在、大学院生やポスドクを募集しています。 マイケル氏の科学に対する人々に伝染するような情熱こそが、このチームを前進させ続ける原動力です。「私の理想の研究環境には、多くのレーザー、白金電極、大量のニューロンやグリア細胞、そして豊富な蛍光タンパク質があります。」彼が治療的に重要な影響を与える可能性を秘めた分野を選んだことを嬉しく思うと同時に、彼がその理想の研究環境の一部として当社のレーザーを選んでくれたことを光栄に思います。 

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