Оптогенетический контроль нейронной активности: биофизика микробных родопсинов в нейронауке

Оптогенетика — использование микробных родопсинов для управления электрической активностью целевых нейронов с помощью света — получила широкое распространение в нейронауке, позволив тысячам исследователей изучать вклад определённых типов нейронов в поведение и патологии, а также возможность их использования в качестве новых терапевтических мишеней. Активируя определённую совокупность нейронов, можно исследовать, какие функции они способны инициировать или поддерживать, а подавляя активность этой совокупности, — функции, для выполнения которых они необходимы. В настоящем обзоре рассматривается биофизика этих молекул и анализируется, почему они оказались столь полезными в нейронауке для изучения нейронных цепей мозга. Мы рассматриваем историю этой области, включая ранние концепции и эксперименты, применения оптогенетики, инструменты направленного контроля нейронов, разработанные до появления оптогенетики, а также историю открытия и характеристики микробных родопсинов. Далее рассматриваются биофизические свойства родопсинов, благодаря которым они столь полезны для нейронауки: их классы и структура, фотохимические циклы, величина и кинетика фотоиндуцированных токов, спектры действия и ионная селективность. Мы надеемся показать читателю, каким образом специфические биофизические свойства этих молекул сделали их особенно полезными для нейробиологов при решении сложной задачи — управлении высокоскоростной электрической активностью мозга с высокой точностью и простотой.