Titel: New ways of controlling neurons with light: optogenetic tools designed for multimodal neuronal manipulations
Sprache: Englisch
Autor*in: Rodriguez-Rozada, Silvia
Schlagwörter: Optogenetics
GND-Schlagwörter: NeurobiologieGND
NervenzelleGND
Erscheinungsdatum: 2021
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-10-12
Zusammenfassung: 
Perturbation of neural activity by optogenetic means is a powerful approach to probe the function of defined neuronal populations from the synaptic to the behavioral level. Despite the numerous studies that in recent years have successfully employed optogenetic actuators to tackle a wide range of neuroscientific questions, there are still some remaining challenges in the field of optogenetics that demand refinement and further development of optogenetic tools with new biophysical properties.
In contrast to neuronal activation, optogenetic silencing has proven to be technically more challenging. Therefore, part of my thesis work aimed at developing and characterizing novel engineered anion-conducting channelrhodopsins (eACRs) with altered kinetics and spectrally shifted activation spectra. While the eACRs PhobosCA and AuroraCA expand the available toolkit of optogenetic silencers in the spectral range, Aion broadens it in the temporal domain, permitting faithful silencing of neurons over many hours with short light pulses spaced five minutes apart.
To prove necessity and sufficiency of a particular neuronal population for a specific function, it is desirable to both faithfully inhibit and activate this exact same population of neurons. In order to achieve equal subcellular distribution and a 1:1 ratio between excitatory and inhibitory action, I functionally characterized BiPOLES, a new optogenetic tool combining in a single fusion protein the blue-light-sensitive ACR GtACR2 and the red-light-sensitive cation-conducting channelrhodopsin (CCR) Chrimson. In addition to dual-color bidirectional control of neurons, BiPOLES enables multiple new applications including optical tuning of the neuronal membrane voltage, and mutual exclusive two-color excitation of two distinct neuronal populations when used together with a second, blue-light sensitive CCR.
In summary, in this work I present various novel optogenetic tools that expand the possibilities for multimodal optical control of neuronal activity, allowing manipulations that remained challenging with the existing toolkit.

Die Manipulation neuronaler Aktivität durch optogenetische Methoden ist eine effiziente Strategie, um die Funktion definierter neuronaler Populationen von der synaptischen bis zur Verhaltensebene zu untersuchen. Trotz der zahlreichen Studien, in denen optogenetische Werkzeuge erfolgreich zur Klärung eines breiten Spektrums neurowissenschaftlicher Fragestellungen eingesetzt wurden, gibt es noch eine Vielzahl an Herausforderungen für diese Technik. Daher ist sowohl eine Optimierung und Weiterentwicklung existierender optogenetischer Werkzeuge als auch eine Entwicklung neuer Werkzeuge mit neuen biophysikalischen Eigenschaften nötig.
Im Vergleich zur Aktivierung hat sich die optogenetische Inhibition neuronaler Aktivität als technisch anspruchsvoller erwiesen. Daher zielte ein Teil meiner Dissertation auf die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Anionen-leitender Kanalrhodopsine (engl. ACRs) mit veränderter Kinetik und spektral verschobenen Aktivierungsspektren. Während die ACRs PhobosCA und AuroraCA den verfügbaren Satz optogenetischer Inhibitoren im Spektralbereich erweitern, ist Aion eine zeitlich optimierte Variante, die eine zuverlässige Inhibition von Neuronen über viele Stunden hinweg mit kurzen Lichtpulsen im Abstand von fünf Minuten erlaubt.
Um die Notwendigkeit und Hinlänglichkeit einer bestimmten neuronalen Population für eine spezifische Funktion nachzuweisen, ist es wünschenswert, genau diese Population von Neuronen sowohl zuverlässig zu inhibieren als auch zu aktivieren. BiPOLES ist ein neues optogenetisches Werkzeug, das in einem einzigen Fusionsprotein das blaulichtempfindliche ACR GtACR2 und das rotlichtempfindliche kationenleitender Kanalrhodopsine (engl. CCR) Chrimson kombiniert. Ich habe gezeigt, dass BiPOLES eine gleichmäßige subzelluläre Verteilung und ein 1:1-Verhältnis zwischen stimulierender und inhibitorischer Wirkung zeigt. Neben der bidirektionalen Kontrolle von Neuronen mit zwei verschiedenen Wellenlängen, ermöglicht BiPOLES mehrere neue Anwendungen, darunter die präzise optische Kontrolle des neuronalen Membranpotentials und die exklusive zweifarbige Aktivierung zweier unterschiedlicher neuronaler Populationen, in Kombination mit einem zweiten, blaulichtempfindlichen CCR.
Zusammenfassend stelle ich in dieser Arbeit verschiedene neuartige optogenetische Werkzeuge vor, die die Möglichkeiten der multimodalen optischen Kontrolle neuronaler Aktivität erweitern und Manipulationen erlauben, die mit den bisher existierenden Werkzeugen nicht erreichbar waren.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9379
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-97494
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Wiegert, Simon
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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