小脳の可塑性を研究および調節するための新しい光遺伝学的ツール

光は、小脳でシグナル伝達カスケードを引き起こすことができます。 これはまた、小脳疾患で重要な役割を果たすプロセスを明らかにします。

小脳のプロセスは、運動学習に影響を与えるさまざまな疾患に関与しています。 これらは、ボーフムの研究グループによって開発された新しいツールを使用してよりよく調査することができます: 興奮性受容体の一部と結合している光活性化タンパク質. この光遺伝学的ツールにより、光が小脳のニューロンのシグナル伝達経路を活性化し、その効果を観察することができます。 たとえば、ドイツのルール大学ボーフムにあるシュテファン・ヘルリッツ教授の研究グループのアイダ・シヴェケ博士が率いるグループは、シグナル伝達経路が小脳制御の運動学習に関与していることを示すことができました。 研究者は、2022 年 12 月 16 日のジャーナル iSience で報告しています。

脳が適応する

人間の脳の最も魅力的な特性の 1 つは、その可塑性です。 これは、脳がその活動を外部および内部の条件に適応させることを意味します。 その結果、神経回路の機能や行動、思考、感情が変化する可能性があります。 ニューロンの可塑性は、例えば、ホルモンバランスの発達または疾患関連の変化によって引き起こされる可能性がありますが、薬物や遺伝子の変化によっても引き起こされる可能性があります. これが神経細胞または受容体の個々のグループによってどのように影響されるかを調べるために、研究者は光遺伝学的方法を使用します。 これには、光活性化タンパク質を使用して神経信号を特異的に視覚化したり、光を介して細胞機能を制御したりすることが含まれます。

代謝型グルタミン酸受容体タイプ 1 – 略して mGluR1 – は、小脳の神経可塑性において重要な役割を果たしています。 その活性化により、神経細胞間の特定の接続、いわゆるシナプスが変化します。

ツールは、小脳を調べるのに役立ちます

「小脳の可塑性を研究し調節するために、光を介して mGluR1 シグナル伝達カスケードを調節できる光遺伝学的ツールを開発しました」と、Ida Siveke と Tatjana Surdin は報告しています。 OPN4-mGluR1と呼ばれるこのツールは、mGluR1受容体の一部と結合し、さまざまな細胞に導入され、そこで産生される光感受性タンパク質、メラノプシンまたはOPN4で構成されています。

これにより、自然に起こるのと同じ方法でシグナル伝達経路を活性化することができました。 でも今は光を通して。」

タチアナ・サーディン

活性化は、神経細胞のカルシウム濃度の増加と、小脳の特定の細胞であるプルキンエ細胞の活動の増加を引き起こします。 シグナル伝達経路の活性化は、特定のシナプスである平行線維プルキンエ細胞シナプスの機能を長期間ダウンレギュレートしました。 小脳によって制御される運動学習も、光の活性化によって改善される可能性があります。 「これは、私たちの OPN4-mGluR1 ツールが、mGluR1 シグナル伝達とニューロンの可塑性の機能不全に基づく脊髄小脳失調症など、さまざまな種類の小脳関連疾患を研究するための新しい可能性を開くことを意味します」と Ida Siveke は言います。