光感受性イオンチャネルやポンプを特定のニューロンに導入することで、研究者は短い光パルスによってこれらの細胞のオン/オフを切り替えることができる。オプトジェネティクスと呼ばれるこの手法は、遺伝子標的化と光制御を組み合わせたもので、神経回路の研究を大きく変革した。
チャネルロドプシンは青色光を照射するとニューロンを脱分極させ、ハロロドプシンおよび関連ポンプは黄色または緑色光を照射するとニューロンを過分極させる。オプシンは細胞種特異的なプロモーターの下で発現させることができるため、周囲の細胞に影響を与えずに、特定の細胞集団をミリ秒単位の精度で制御することが可能である。光ファイバーやマイクロLEDアレイを用いることで、自由に動き回る動物の深部構造にも光を届けることができる。
光遺伝学は、特定の行動に必要な神経回路の特定、神経活動の抑制による必要性の検証、神経コードのタイミング要件の調査などに用いられてきた。臨床応用としては、失明や特定の運動障害などの疾患が研究されている。この技術の強みは、細胞特異性と高い時間分解能を兼ね備えている点にある。
たった一回の光の照射で、正確に定義された神経細胞集団の因果的寄与を明らかにすることができるようになった。
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