Anzeige
Scientists have studied high-frequency brain waves, known as gamma oscillations, for more than 50 years, believing them crucial to consciousness, attention, learning and memory. Now, for the first time, MIT researchers and colleagues have found a way to induce these waves by shining laser light directly onto the brains of mice.
The work takes advantage of a newly developed technology known as optogenetics, which combines genetic engineering with light to manipulate the activity of individual nerve cells. The research helps explain how the brain produces gamma waves and provides new evidence of the role they play in regulating brain functions — insights that could someday lead to new treatments for a range of brain-related disorders.
"Gamma waves are known to be [disrupted] in people with schizophrenia and other psychiatric and neurological diseases," says Li-Huei Tsai, Picower Professor of Neuroscience and a Howard Hughes Medical Institute investigator. "This new tool will give us a great chance to probe the function of these circuits."
Tsai co-authored a paper about the work that appears in the April 26 online issue of Nature.
Gamma oscillations reflect the synchronous activity of large interconnected networks of neurons, firing together at frequencies ranging from 20 to 80 cycles per second. "These oscillations are thought to be controlled by a specific class of inhibitory cells known as fast-spiking interneurons," says Jessica Cardin, co-lead author on the study and a postdoctoral fellow at MIT's McGovern Institute for Brain Research. "But until now, a direct test of this idea was not possible."
To determine which neurons are responsible for driving the oscillations, the researchers used a protein called channelrhodopsin-2 (ChR2), which can sensitize neurons to light. "By combining several genetic tricks, we were able to express ChR2 in different classes of neurons, allowing us to manipulate their activity with precise timing via a laser and an optical fiber over the brain," explains co-lead author Marie Carlén, a postdoctoral fellow at the Picower Institute.
The trick for inducing gamma waves was the selective activation of the "fast-spiking" interneurons, named for their characteristic pattern of electrical activity. When these cells were driven with high frequency laser pulses, the illuminated region of cortex started to produce gamma oscillations. "We've shown for the first time that it is possible to induce a specific brain state by activating a specific cell type" says co-author Christopher Moore, associate professor of neuroscience and an investigator in the McGovern Institute. In contrast, no gamma oscillations were induced when the fast-spiking interneurons were activated at low frequencies, or when a different class of neurons was activated.
The authors further showed that these brain rhythms regulate the processing of sensory signals. They found that the brain's response to a tactile stimulus was greater or smaller depending on exactly where the stimulus occurred within the oscillation cycle. "It supports the idea that these synchronous oscillations are important for controlling how we perceive stimuli," says Moore. "Gamma rhythms might serve to make a sound louder, or a visual input brighter, all based on how these patterns regulate brain circuits."
Because this new approach required a merger of expertise from neuroscience and molecular genetics, three different laboratories contributed to its completion. In addition to Tsai, Moore and Carlén of MIT, co-authors include Jessica Cardin, research affiliate at the McGovern Institute and the University of Pennsylvania, and Karl Deisseroth and Feng Zhang at Stanford University. Other co-authors were Konstantinos Meletis, a postdoctoral fellow at the Picower Institute, and Ulf Knoblich, a graduate student in MIT's Department of Brain and Cognitive Sciences.
This work was supported by NARSAD, the National Institutes of Health, the National Science Foundation, the Thomas F. Peterson fund, the Simons Foundation Autism Research Initiative and the Knut and Alice Wallenberg Foundation.
Written by Deborah Halber, Picower Institute
Elizabeth Thomson | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.mit.edu
Weitere Berichte zu: Brain > brain-related disorders > channelrhodopsin-2 > ChR2 > Gamma > gamma brain waves > Gamma oscillations > gamma waves > molecular genetic > neurological disease > neurological diseases > optogenetics > regulating brain functions > Science TV
Newly discovered breast milk antibodies help neutralize HIV
23.05.2012 | Duke University Medical Center
Scientists unravel role of fusion gene in prostate cancer
23.05.2012 | New York- Presbyterian Hospital/Weill Cornell Medical Center/Weill Cornell Medical College
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Ein neuer Sonderforschungsbereich (SFB) an der Philipps-Universität geht der einzigartigen Fähigkeit von Mikroorganismen auf den Grund, sich ständig an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den SFB 987 mit dem Titel "Mikrobielle Diversität in der umweltabhängigen Signalantwort" in den kommenden vier Jahren mit voraussichtlich mehr als sieben Millionen Euro.
„Die erfolgreiche Beantragung des neuen Sonderforschungsbereichs belegt einmal mehr die exzellenten wissenschaftlichen Leistungen im Bereich der Mikrobiologie am Standort Marburg“, erklärt Professor Dr. Frank Bremmer, der Marburger Uni-Vizepräsident für Forschung. „Die Einrichtung des SFB wird Marburgs Stellung als zentraler Ort der mikrobiologischen Forschung festigen und deren internationale Sichtbarkeit weiter erhöhen.“ ...
Erosion in tropischen Küstenregionen führt zum schnellen Tod der Korallen
Die Farbigkeit, Vielfalt und Exotik der tropischen Korallenriffe fasziniert viele Menschen weltweit. Und doch sind es die Folgen unserer Zivilisation, die dieses fragile Ökosystem bedrohen durch Klimaerwärmung, Sauerstoffmangel und Ozeanversauerung. Fortschreitende Industrialisierung, Waldrodungen und intensive Landwirtschaft in küstennahen Gebieten führen zu Erosion und verändern die Lebensbedingungen im Meer dramatisch.
Jetzt ...
Anzeige
Anzeige

23.05.2012 | Energie und Elektrotechnik
Nano-Müll lässt sich nicht verbrennen
23.05.2012 | Ökologie Umwelt- Naturschutz
Nea Kameni volcano movement captured by Envisat
23.05.2012 | Geowissenschaften
Jeder Mensch ist anders - Nutzen der individualisierten Medizin
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
14th Leibniz Conference of advanced science „Sensorsysteme 2012“
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Exklusive Kontakte beim Investforum
23.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten