$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
برزت علم البصريات الوراثي كتقنية قوية تجمع بين البصريات وعلم الوراثة في علم الأعصاب ، مما يوفر تحكما دقيقا وغير جراحي في النشاط العصبي من خلال تحفيز الضوء1. في ذبابة الفاكهة السوداء ، وهو كائن حي نموذجي يستخدم على نطاق واسع ، تتيح أدوات الوراثة البصرية تنشيط وتثبيط خلايا عصبية معينة ، مما يسمح للباحثين بتعديل الدوائر العصبية. من بين الأدوات المستخدمة ، يوفر CsChrimson و GtACR (Guillardia theta anion channel rhodopsins) طرقا تكميلية لاستهداف الخلايا العصبية. CsChrimson channelrhodopsin ، وهي قناة كاتيونية حساسة للضوء الأحمر من الطحالب الخضراء ، تسهل تنشيط الخلايا العصبية من خلال إزالة الاستقطاب عند تعرضها للضوء الأحمر ، مع ذروة التنشيط عند حوالي 590 نانومتر2. يوفر CsChrimson اختراقا أفضل للأنسجة من القنوات السابقةرودوبسين ويقلل من القطع الأثرية السلوكية التي يسببها الضوء في دراسات ذبابة الفاكهة 2. في المقابل ، فإن GtACR ، التي تتضمن متغيرات مثل GtACR2 ، هي قناة كلوريد ذات بوابات ضوئية تسكت الخلايا العصبية من خلال فرط الاستقطاب3،4. يقوم GtACR2 بتوصيل الأنيونات ويتم تنشيطه بواسطة الضوء الأزرق مع ذروة تنشيط حوالي 470 نانومتر4. يتم تنشيط CsChrimson و GtACR2 بواسطة أطوال موجية مميزة من الضوء ، مما يضمن تحكما دقيقا ومستقلا في النشاط العصبي دون التنشيط المتقاطع5.
ذبابة الفاكهة هي نموذج فعال لأبحاث علم الأعصاب نظرا لفعاليتها من حيث التكلفة وسهولة تربيتها واستجاباتها السلوكية القوية للمنبهات البيئية ، بما في ذلك السلوكيات الجذابة والتجنبية6. يعمل حجمها الصغير وبشرته شبه الشفافة على تعزيز تغلغل الضوء ، وخاصة الضوء الأحمر ذو الطول الموجي الطويل ، مما يتيح التلاعب البصري الوراثيالفعال 7،8. في حين أن خلايا ذبابة الفاكهة لا يمكنها إنتاج ما يكفي من الشبكية ، إلا أن عاملا مساعدا حاسما لوظيفة channelrhodopsins ، فإن إضافة شبكية العين إلى نظامهم الغذائي يعوض هذا القيد ، مما يضمن التنشيط الفعال للأدوات البصريةالوراثية 9.
لاستكشاف آثار التلاعب البصري الوراثي في ذبابة الفاكهة ، نصف أربع تجارب تستهدف دوائر وسلوكيات عصبية مختلفة ، كل منها يستخدم طرائق مميزة لتقييم الاستجابات التجنب أو الجذابة ، بدءا من فحوصات الذبابة الواحدة إلى التقييمات القائمة على المجموعة. خلايا التسخين (HC) في ذبابة الفاكهة هي خلايا عصبية حسية حرارية تقع في الأريستا ، وتستجيب للزيادات في درجة الحرارة10. تعبر هذه الخلايا العصبية عن القنوات الأيونية الحساسة للحرارة التي تؤدي إلى سلوك التجنب ، وتوجه الذباب بعيدا عن مصادر الحرارة10،11. في النهج 1 ، استخدمنا مقايسة تفضيل موضعي بصري وراثي للضوء الأزرق أحادي الذبابة لمعالجة الخلايا العصبية HC. من خلال التعبير عن GtACR2 في هذه الخلايا العصبية ، قمنا بتثبيط نشاطها عند التعرض للضوء الأزرق. تعرض الذباب لخيارين لدرجة الحرارة: 25 درجة مئوية و 31 درجة مئوية. تحت ضوء الغرفة ، تجنب الذباب الجانب 31 درجة مئوية ، مما يدل على استجابة حرارية نموذجية. ومع ذلك ، أدى تنشيط الضوء الأزرق ل GtACR2 إلى إسكات الخلايا العصبية HC. نتيجة لذلك ، لم يظهر الذباب أي تفضيل كبير لدرجة الحرارة ، مما يشير إلى تثبيط بصري ناجح. بالإضافة إلى تقييم وظيفة الخلايا العصبية الحسية ، فإن التعبير عن GtACR2 في الخلايا العصبية الحسية النهائية يمكن من التلاعب البصري الوراثي المماثل لدراسة الدوائر العصبية اللازمة لطرائق حسية محددة5.
يتم التعبير عن المستقبل الذوقي GR66a في ذبابة الفاكهة في ملامسات الشفرين في الطرف البعيد من خرطوم وفي الساقين ، مما يتوسط في اكتشاف الطعم المر12،13. تؤدي هذه الخلايا العصبية إلى سلوكيات التجنب استجابة للمواد المريرة. في النهج 2 ، استخدمنا مقايسة تفضيل موضعي البصري الوراثي للضوء الأحمر أحادي الذبابة لمعالجة الخلايا العصبية التي تعبر عن GR66a. من خلال التعبير عن CsChrimson في هذه الخلايا العصبية ، قمنا بتنشيطها عند التعرض للضوء الأحمر. تم وضع الذباب في ساحة نصفها يتعرض للضوء الأحمر والنصف الآخر يقوم بتصفية الضوء الأحمر. في غياب الضوء الأحمر ، لم يظهر الذباب أي تفضيل. ومع ذلك ، فإن تنشيط الضوء الأحمر ل CsChrimson حفز الخلايا العصبية المستشعرة للمرة ، مما أدى إلى تجنب كبير للمنطقة المضيئة ، مما يؤكد التنشيط البصري الناجح للخلايا العصبية GR66a. تم استخدام طرق مماثلة لتحديد الدوائر النهائية لخلايا التسخين الكافية لسلوكالتجنب 5.
ركزنا على التنشيط البصري الوراثي للسلوك الفاتح للشهية في النهج 3. الخلايا العصبية التي تعبر عن GR5a ، الموجودة في حسية التذوق على الملصق والساقين ، تكتشف السكريات وتدفع سلوك التغذية. يؤدي تنشيط هذه الخلايا العصبية إلى استجابة تمديد خرطوم (PER) 14. استخدمنا مقايسة استجابة تمديد خرطوم البصري الوراثي للضوء الأحمر لتنشيط الخلايا العصبية GR5a. من خلال التعبير عن CsChrimson في هذه الخلايا العصبية ، قمنا بتحفيزها بالضوء الأحمر. لم يمتد الذباب خرطومه في ظل ظروف إضاءة الغرفة. ومع ذلك ، أدى تنشيط الضوء الأحمر ل CsChrimson إلى تمديد خرطوم بدون محفز حلو ، مما يدل على التنشيط البصري الناجح للخلايا العصبية GR5a. تم استخدام هذا النهج للتحقيق في الدائرة العصبية ، بما في ذلك الخلايا العصبية الحسية الذوقية ، والخلايا العصبية لإسقاط التذوق ، والخلايا العصبية الحركية للخرطوم15،16.
في النهج 4 ، قمنا بالتحقيق في التنشيط البصري الوراثي لسلوكيات التجنب في مجموعات الذباب ، باستخدام مقايسة متاهة الذبابة البصرية ذات الضوء الأحمر التي تستهدف الخلايا العصبية GR66a. تم وضع الذباب عند تقاطع أنبوبين: أحدهما مضاء بالضوء الأحمر والآخر مظلل. أدى تعبير CsChrimson في الخلايا العصبية GR66a إلى التجنب. في حالة عدم وجود ضوء أحمر ، لم يظهر الذباب أي تفضيل ، لكن تنشيط الضوء الأحمر أدى إلى إطلاق الذباب الذي يعبر عن GR66a لتجنب الضوء الأحمر ، مما يشير إلى التنشيط الناجح للمسار. تم استخدام فحوصات متاهة الذباب على نطاق واسع لدراسة الطرائق الحسية المختلفة ، بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة والشم. عند دمجه مع علم البصريات الوراثي ، يكون هذا النهج قويا للتحقيق في كل من السلوكيات الجذابة والتجنب17،18،19.
توفر هذه الطرق إطارا قابلا للتكرار لدراسة التنشيط البصري الوراثي وتثبيط ذبابة الفاكهة العصبية. من خلال استخدام مزيج من القنوات المختلفة والمقايسات السلوكية التي يمكن الوصول إليها ، توضح دراسة إثبات المفهوم هذه فعالية التلاعب البصري الوراثي ، مما يوفر طرقا مباشرة لمعالجة وظائف الدوائر العصبية مع تطبيقات محتملة أوسع في أبحاث علم الأعصاب.