Optogenetic methods in the service of neuroscience and medicine

Optogenetics is a novel approach in neuroscience studies that enables to demonstrate a relation between an activity of particular neuronal circuits and a behavior. The discussed method is based on recent findings in genetic engineering and optical techniques allowing the introduction of light-sensitive membrane ion channels into neurons. A pulse of light opens the channel resulting in an ion flow, change of membrane potential and consequently, activation or inhibition of certain neuron. The main advantage of optogenetics is its application in vivo, which allows to control the activity of individual neurons in real-time, even in freely-moving animals during complex behavioral tasks. Our goal was to describe experimental protocols using optogenetic tools along with their advantages and review experimental studies which use optogenetics to examine neuronal bases of addiction, depression, anxiety and Parkinson’s disease. The selection of papers was made b y Pubmed search by keywords: optogenetics, channelrhodopsin and halorhodopsin. The synthesis of results allowed to wirupoint to the role of optogenetics in demonstrating causative relation between particular behavioral phenomena (e.g. reward) and (i) activity (e.g. phasic but not tonic) of defined neural population (e.g. dopaminergic neurons of the lateral ventral tegmental area), (ii) their projections (e.g. fibers projecting to the lateral shell of nucleus accumbens), and (iii) inputs (e.g. from the laterodorsal tegmentum). In summary, the results of optogenetic studies have revealed the role of specific neural systems and the dynamic of their activity in the modulation of the behavior that can be seen both in norma l conditions and in psychiatric disorders.

Optogenetyka jest młodą techniką badawczą, która znajduje obecnie szerokie zastosowanie w neuronaukach. Dzięki innowacyjnemu podejściu możliwe jest ukazanie związków pomiędzy aktywnością określonych układów neuronalnych a zachowaniem. Omawiana metoda badawcza wykorzystuje najnowsze osiągnięcia inżynierii genetycznej i technik optycznych. Polega na wprowadzeniu do komórki nerwowej egzogennych kanałów jonowych, które następnie ulegają wbudowaniu w błonę neuronu i reagują otwarciem na bodziec świetlny. Efektem tego jest przepływ jonów, a w konsekwencji aktywacja bądź inhibicja neuronu. Największą zaletą optogenetyki jest fakt, że można ją stosować in vivo, dzięki czemu uzyskano możliwość kontroli w czasie rzeczywistym aktywności zdefiniowanych populacji komórek nerwowych u zwierząt swobodnie poruszających się i wykonujących złożone testy behawioralne. Celem niniejszej pracy było (i) przybliżenie schematów eksperymentalnych wykorzystujących narzędzia optogenetyczne oraz (ii) przegląd prac badawczych z zakresu uzależnień, depresji, lęku oraz choroby Parkinsona, w których posłużono się optogenetyką. Wyboru prac dokonano na podstawie wyników wyszukiwania w bazie Pubmed haseł takich jak optogenetics, channelrhodopsin i halorhodopsin. Syntetyczne zestawienie wyników badań analizowanych prac wskazuje na rolę optogenetyki w odkrywaniu relacji przyczynowo skutkowych pomiędzy badanym zjawiskiem (np. efekt nagradzający) a (i) aktywnością (np. fazowa ale nie toniczna) poszczególnych populacji neuronów (np. neuronów dopaminergicznych w polu brzusznym nakrywki), (ii) ich specyficznych projekcji (np. do bocznej części skorupy jądra półleżącego), oraz (iii) włókien wstępujących tworzących z danymi neuronami funkcjonalne synapsy (np. z bocznogrzbietowej nakrywki). Podsumowując, wyniki badań z zastosowaniem optogenetyki wykazały rolę specyficznych systemów neuronalnych oraz dynamikę ich aktywności w modulowaniu zachowania charakterystycznego zarówno dla normy jak i zaburzeń psychiatrycznych.