OptoGenBox - 長期的なオプトジェネティクスのためのデバイス

The OptoGenBox - a device for long-term optogenetics in .

• Inka Busack
• Florian Jordan
• Peleg Sapir
• Henrik Bringmann

抄録

オプトジェネティクスは、遺伝的に標的化可能なアクチュエータと光を介して、生体内の神経活動と行動を制御します。この方法は、高い時間的・空間的精度で細胞を制御できるため、生物学や医学に革命をもたらしました。オプトジェネティクスは、通常、特定の行動を研究するなど、短い時間スケールでしか応用されていません。また、行動を操作することで、全身の生理学的プロセスを制御することができるため、生理学的な知見を得ることができます。例えば、覚醒や睡眠は老化や健康寿命に影響を与えます。行動がどのように重要な生理学的プロセスを制御しているかを研究するためには、行動操作を長期間に渡って行う必要がある。しかし、長期的なオプトジェネティクスの方法は乏しく、高価な複合顕微鏡のセットアップを必要とするのが一般的です。視能遺伝学的実験は多くの種で実施することができる。線虫などの小型モデル動物は、医学的に重要な生物学的プロセスのメカニズムの解明に役立ってきました。私たちは、線虫の長期的な光学遺伝学的操作のために、手頃な価格のスタンドアロンで使いやすいOptoGenBoxを開発しました。 OptoGenBoxは、制御された環境を提供し、プログラム可能なので、数日から数週間の長期実験で複雑な光学遺伝学的操作を実行することができます。私たちのデバイスをテストするために、私たちは、光学遺伝的に増加した覚醒と光学遺伝的な睡眠遮断が、逮捕された第一幼生期の生存にどのように影響するかを調査しました。我々は、ReaChRを用いて侵害受容性のASH感覚ニューロンをオプトジェニックに活性化させ、逃避反応と覚醒の増加を誘発させた。さらに、睡眠を阻害することが知られている ArchT を用いて、睡眠ニューロン RIS をオプトジェニックに阻害した。どちらのオプトジェニック操作も生存率を低下させました。このように、OptoGenBoxは、小動物や他の小動物の主要な生物学的プロセスのオプトジェニック操作の長期的な影響を研究するための手頃なシステムを提供します。

Optogenetics controls neural activity and behavior in living organisms through genetically targetable actuators and light. This method has revolutionized biology and medicine as it allows controlling cells with high temporal and spatial precision. Optogenetics is typically applied only at short time scales, for instance to study specific behaviors. Optogenetically manipulating behavior also gives insights into physiology, as behavior controls systemic physiological processes. For example, arousal and sleep affect aging and health span. To study how behavior controls key physiological processes, behavioral manipulations need to occur at extended time scales. However, methods for long-term optogenetics are scarce and typically require expensive compound microscope setups. Optogenetic experiments can be conducted in many species. Small model animals such as the nematode have been instrumental in solving the mechanistic basis of medically important biological processes. We developed the OptoGenBox, an affordable stand-alone and simple-to-use device for long-term optogenetic manipulation of . The OptoGenBox provides a controlled environment and is programmable to allow the execution of complex optogenetic manipulations over long experimental times of many days to weeks. To test our device, we investigated how optogenetically increased arousal and optogenetic sleep deprivation affect survival of arrested first larval stage . We optogenetically activated the nociceptive ASH sensory neurons using ReaChR, thus triggering an escape response and increase in arousal. In addition, we optogenetically inhibited the sleep neuron RIS using ArchT, a condition known to impair sleep. Both optogenetic manipulations reduced survival. Thus, the OptoGenBox presents an affordable system to study the long-term consequences of optogenetic manipulations of key biological processes in and perhaps other small animals.