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コヒレント制御の超短パルスでニューロンの活動をコントロール

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November, 22, 2017, Champaign--イリノイ大学で行われた新研究によると、特殊調整された超高速光パルスがニューロンの発火を引き起こすことができる。いずれ、光に敏感な概日リズムあるいは気分の問題をかかえる患者に役立つ。
 化学者は、化学反応を調整するために、そのような注意深く作製された光ビーム、コヒレントコントロールを使ってきたが、この研究は生きた細胞の機能をコントロールするためにそれを使う初めてデモンストレーションである。研究では、遺伝学的マウスのニューロンを使用した、つまり光に反応させるように加えた遺伝子を持つ細胞である。しかし研究者によると、同じ技術を自然に光に反応する細胞、例えば網膜の細胞に適用することができる。
 「われわれの網膜の光受容体は、気分、代謝リズム、概日リズムをコントロールする脳の様々な部分につながっている」と研究リーダー、Dr. Stephen Boppartは話している。
 研究チームは、光を使ってニューロンの細胞膜の感光性チャネルを刺激する。チャネルが刺激されると、イオンを通し、それによってニューロンが発火する。
 自然のほとんどの生物学的システムは、太陽からの連続光に慣れているが、Boppartのチームは、100フェムト秒以下の非常に短い連続光パルスを使った。これは、短い時間幅で多くのエネルギーを供給し、分子を異なるエネルギー状態に励起する。光パルスの長さ制御とともに、研究チームは、個々の光パルスにおける波長の順番もコントロールする。
 「光の超短パルスがあると、そのパルスには多くの色がある。われわれはどの色が最初にきて、各光の輝度がどの程度かをコントロールすることができる。例えば、青色波長は赤色波長よりもはるかに高エネルギーである。どの色が最初に来るかを選択するなら、どの時間に分子がどんなエネルギーを見るかをコントロールすることができる、これによって励起をより高く、あるいは基底に落とすことができる。青の前に赤がくるようにパルスを作ると、青色が赤色の前に来る場合とは非常に違うことになる」。
 デモンストレーションでは、調整された光パルスのパタンを使って、様々なパタンでニューロンを発火させた。
 コヒレントコントロールにより光遺伝学研究は、より柔軟になる。使用される光の特性を変えることで研究の道が多様になるからである。研究者は、となるニューロンの挙動を必要とするたびに新しい遺伝子でマウスを変える必要がなくなる。
 また、研究チームは、光とコヒレントコントロールを使って生体機能を調整しようとしている。「究極的には、これは遺伝子なし、んくざぃなしで細胞や組織の機能を調整する方法になり得る。われわれは、光の問題を抱える患者の治療法、‘opto-ceuticals,’が可能であると考えている」とBoppartはコメントしている。
(詳細は、www.illinois.edu)