Speciellt skräddarsydda, ultrasnabba ljuspulser kan utlösa nervceller att elda och kan en dag hjälpa patienter med ljuskänsliga dygns- eller humörproblem, enligt en ny studie på möss vid University of Illinois.

Kemister har använt sådana noggrant tillverkade ljusstrålar, kallas koherent kontroll, för att reglera kemiska reaktioner, men denna studie är den första demonstrationen av att använda dem för att styra funktionen i en levande cell. Studien använde optogenetiska musneuroner - det vill säga celler som hade en gen tillsatt för att få dem att svara på ljus. Dock, forskarna säger att samma teknik kan användas på celler som naturligt reagerar på ljus, som de i näthinnan.

"Ordet, "Ögat är fönstret till själen" har viss förtjänst, eftersom våra kroppar reagerar på ljus. Fotoreceptorer i våra näthinnor ansluter till olika delar i hjärnan som styr humör, metabola rytmer och dygnsrytmer, säger Dr Stephen Boppart, ledaren för studien publicerad i tidskriften Naturfysik . Boppart är professor i el- och datateknik och bioingenjör i Illinois, och är också läkare.

Forskarna använde ljus för att excitera en ljuskänslig kanal i neuronmembranet. När kanalerna var upphetsade, de släppte igenom joner, vilket fick nervcellerna att elda.

Medan de flesta biologiska system i naturen är vana vid det kontinuerliga ljuset från solen, Bopparts team använde en uppsjö av mycket korta ljuspulser - mindre än 100 femtosekunder. Detta ger mycket energi på kort tid, spännande molekylerna till olika energitillstånd. Tillsammans med att styra ljuspulsernas längd, Bopparts team styr våglängdernas ordning i varje ljuspuls.

"När du har en ultrakort eller ultrasnabb ljuspuls, det finns många färger i den pulsen. Vi kan styra vilka färger som kommer först och hur ljusa varje färg kommer att vara, "Sa Boppart." Till exempel, blå våglängder är mycket högre energi än röda våglängder. Om vi ​​väljer vilken färg som kommer först, vi kan styra vilken energi molekylen ser vid vilken tid, för att driva spänningen högre eller tillbaka ner till baslinjen. Om vi ​​skapar en puls där det röda kommer före det blå, det är väldigt annorlunda än om det blå kommer före det röda."

Forskarna demonstrerade att använda mönster av skräddarsydda ljuspulser för att få neuronerna att elda i olika mönster.

Boppart säger att koherent kontroll kan ge optogenetiska studier mer flexibilitet, eftersom förändrade egenskaper hos det ljus som används kan ge forskare fler vägar än att behöva konstruera möss med nya gener varje gång de vill ha ett annat neuronbeteende.

Utanför optogenetik, forskarna arbetar med att testa sin koherenta kontrollteknik med naturligt ljuskänsliga celler och processer - retinala celler och fotosyntes, till exempel.

"Vad vi gör för allra första gången är att använda ljus och koherent kontroll för att reglera biologisk funktion. Detta är i grunden mer universellt än optogenetik - det är bara det första exemplet vi använde, "Sa Boppart." I slutändan, detta kan vara genfritt, läkemedelsfritt sätt att reglera cell- och vävnadsfunktion. Vi tror att det kan finnas ”opto-ceuticals, "metoder för att behandla patienter med ljus."