کنترل فعالیت های نورونی توسط پالس های نوری
طبق تحقیقات جدید انجام‌شده در دانشگاه ایلینوی، پالس‌ها‌ی نوری خاص فوق سریع می‌توانند نورون‌ها را به فوران وادار کنند و قابلیت این را دارند که به بیماران با مشکل فعالیت‌ها‌ی خواب و بیداری و مشکلات رفتاری کمک کنند.
شیمی‌دان‌ها از پالس‌ها‌ی نوری دقیقی که به آن‌ها پالس‌ها‌ی نوری کنترل‌شده‌ی منسجم گفته می‌شود، برای تنظیم کردن واکنش‌ها‌ی شیمیایی استفاده کرده‌اند. اما برای اولین بار در این پروژه از این تکنیک برای کنترل عملکرد یک سلول زنده استفاده شده است. در این پروژه از سلول‌ها‌ی بینایی‌سنجی موش (سلول‌ها‌یی که ژن خاصی به آن‌ها اضافه شده است تا بتوانند به نور پاسخ دهند و در برابر تابش، حساسیت نشان دهند) استفاده کرده‌اند. با این‌حال، محققان معتقدند که همین تکنیک در مورد سلول‌ها‌یی مانند شبکیه که به‌صورت طبیعی به نور حساسند نیز می‌تواند استفاده شود.
مثلی در مورد اینکه چشم، پنجره‌ای به روح است، بسیار ارزشمند است؛ چرا که بدن ما به نور حساسیت نشان می‌دهد. به گفته‌ی دکتر استفن بوپارت، رهبر این پروژه که دستاوردهای آن در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است:
دریافت‌کننده‌ها‌ی نور در شبکیه‌ی چشم، به قسمت‌ها‌ی مختلف مغز که احساسات و همچنین قسمت‌ها‌ی آهنگ سوخت‌وساز و هوشیاری را کنترل می‌کنند، متصل هستند.
بوپارت، پروفسور دانشگاه ایلینوی در زمینه‌ی مهندسی الکترونیک، کامپیوتر و زیست‌مهندسی و همچنین دکتر داروساز است. محققان از نور برای تحریک یک کانال حساس به نور در غشا‌ی نورونی استفاده کرده‌اند. زمانی که کانال‌ها تحریک شوند، به یون‌ها اجازه‌ی ورود داده می‌شود که باعث فوران نورون‌ها می‌شود.
درحالی‌که بیش‌تر سیستم‌ها‌ی بیولوژیک در طبیعت، به نور پیوسته‌ی خورشید عادت دارند، تیم بوپارت از پالس‌ها‌ی نوری بسیار کوتاه در حد کم‌تر از ۱۰۰ فمتو‌ثانیه، استفاده کرده‌اند. این پالس‌ها‌ی کوتاه، انرژی بسیار زیادی در مدت‌زمان بسیار کمی منتقل می‌کنند و باعث برانگیخته شدن مولکول‌ها به حالت‌ها‌ی انرژی متفاوتی می‌شوند. در کنار کنترل کردن مدت تابش پالس‌ها‌ی نوری، تیم بوپارت، مرتبه‌ی طول موج‌ها را نیز کنترل می‌کند. طبق گفته‌ی بوپارت:
تمامی پالس‌ها‌ی نوری، شامل پالس‌ها‌ی نوری بسیار کوتاه و بسیار سریع، از رنگ‌ها‌ی بسیاری تشکیل می‌شوند. می‌توانیم میزان روشنایی و ترتیب تابش هر رنگ را کنترل کنیم.
برای مثال، انرژی طول موج آبی بسیار بیش‌تر از انرژی طول موج قرمز است. اگر ترتیب تابش رنگ‌ها را کنترل کنیم، در واقع میزان انرژی دریافتی مولکول در یک زمان مشخص را کنترل کرده‌ایم. اگر بتوانیم پالسی تولید کنیم که در آن رنگ آبی قبل از رنگ قرمز تابیده شود، این بسیار با زمانی که رنگ قرمز قبل از رنگ آبی تابیده شود متفاوت است.
محققان، الگو‌ها‌یی از پالس‌ها‌ی نوری تنظیم‌شده را نشان دادند که باعث فوران نورون‌ها در الگو‌ها‌ی متفاوتی می‌شود. بوپارت گفت:
کنترل نور همدوس، باعث انعطاف بیش‌تر در زمینه‌ی ژن‌ها‌ی اپتیکی می‌شود؛ چرا که تغییر دادن ویژگی‌ها‌ی پالس‌ها‌ی نوری، راه‌ها‌ی بیش‌تری پیش پای محققان قرار می‌دهد. در صورتی که قبل از این روش، برای دریافت رفتار متفاوت از نورون‌ها، باید تغییراتی در ژن موش‌ها ایجاد می‌کردیم.
پژوهشگران در حال کار روی روش‌ها‌ی کنترل نور همدوس با پاسخ نوری طبیعی هستند؛ برای مثال کار روی سلول‌ها‌ی شبکیه و ژن‌ها‌ی اپتیکی. در نهایت بوپارت چنین اظهار می‌کند:
کاری که ما برای اولین بار انجام می‌دهیم، استفاده از نور کنترل‌شده‌ی همدوس برای تنظیم عملکرد بیولوژیک است. ژن‌ها‌ی اپتیکی، تنها یک مثال است که در این مقاله استفاده کردیم. این پروژه بسیار گسترده‌تر از این مثال است. این روش می‌تواند بدون نیاز به دارو، عملکرد سلول‌ها را تنظیم و بیماران را درمان کند.
