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Optogenética: la luz como una herramienta para el estudio del funcionamiento cerebral en los mecanismos del sueño-vigilia y la conducta alimentaria.

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Optogenética: la luz como una herramienta para el estudio del funcionamiento cerebral en los mecanismos del sueño-vigilia y la conducta alimentaria.

Revista Mexicana de Neurociencia 2015; 16(3): 39-51
www.revmexneuroci.com / ISSN 1665-5044
Revista Mexicana de
Neurociencia
Publicación ocial de la Academia Mexicana de Neurología A.C.
Mayo-Junio
Volumen 16, Año 2015 Número 3
Órgano Oficial de Difusión de la AMN
Academia
Mexicana de
Neurología, A.C.
Revista Mexicana de Neurociencia Mayo-Junio, 2015; 16(3): 39-51
Revisión.
Optogenética: la luz como una herramienta para el estudio del funcionamiento
cerebral en los mecanismos del sueño-vigilia y la conducta alimentaria
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Optogenética: la luz como una herramienta
para el estudio del funcionamiento cerebral en
los mecanismos del sueño-vigilia y la conducta
alimentaria
Optogenetics: the light as a tool for the study of brain function in the
mechanisms of the sleep-wake and eating behavior
Revisión
Dr. Rafael J. Salin-Pascual
Departamento de Psiquiatría
y Salud Mental. Facultad de
Medicina. Universidad Nacional
Autónoma de México. Sistema
Nacional de Investigadores.
Resumen
La optogenética es una tecnología que utiliza el efecto que la luz
hace sobre canales iónicos fotosensibles. Estos pueden abrirse,
como en el caso del canal de rodopsina (ChR2), con un efecto neto de
despolarización, o con el canal de la halorodopsina, NpHR, producen
una inhibición de las corrientes iónicas en las células. En la actualidad
hay mas herramientas moleculares de este tipo, que son utilizadas
para estudios in vitro, ex vivo y con animales los cuales expresan
este tipo de proteínas de membranas celulares por manipulación
genética (Knock-in). Se revisaron los artículos que utilizan este
tipo de tecnología optogenética, en el papel de dos neuropéptidos,
que regulan desde el hipotálamo lateral los estadios del dormir y la
conducta alimentaria. Las orexinas, también llamadas hipocretinas,
son dos neuropépetidos, que suprimen el sueño y selectivamente
el sueño de movimientos oculares rápidos. La mutación en uno de
los receptores, el subtipo dos de orexina, se ha detectad como el
agente causal de la narcolepsia en perros Doverman, mientras que
en seres humanos con narcolepsia también hay un defecto en este
sistema de orexinas, pero se supone que es de tipo autoinmune. El
otro neuropéptido es la hormona concentradora de melanina (MCH),
que se localiza también en el hipotálamo lateral. Sus funciones sobre
el sueño son aumentar del sueño MOR, y promover la conducta de
alimentación por deciencias calóricas. Mientras que las orexinas
tienen una función sobre el consumo de alimentos apetecibles, aun
cuando las necesidades calóricas estén satisfechas. El conocimiento
conrmado por la optogenética de la interacción de estos dos
neuropéptidos, en la regulación del sueño y la conducta alimentaria,
pueden ayudar a comprender problemas de salud como la obesidad
mórbida infantil, en donde la deciencia de sueño se correlaciona de
manera inversa con el aumento el los índice de masa corporal.
Palabras clave.
Optogenética, sueño, sueño
MOR, orexina, hormona
concentradora de la melanina,
apetito
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Revisión.
Optogenética: la luz como una herramienta para el estudio del funcionamiento
cerebral en los mecanismos del sueño-vigilia y la conducta alimentaria
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Correspondencia:
Dr. Rafael J. Salín-Pascual
Departamento de Psiquiatría y Salud Mental, Facultad de Medicina – UNAM
Hidalgo 187 Casa 7, Barrio del Niño Jesús – Tlalpan
México 14080, México
Correo electrónico: rafasalin@yahoo.com
Keywords
Optogenetics, orexin, REM sleep, sleep, melanin
concentrating hormone, appetite.
Optogenetics is a technology that uses the effect
of light on photosensitive ion channels. These can
be opened, as in the case of rhodopsin channel-2
(ChR2), with a net effect of depolarization, or as
the channel of halo rhodopsin, NpHR, in which light
produces an inhibition of ionic currents. Currently
there are more molecular tools of this type, which
are used for in vitro, ex vivo and animal studies,
which express this type of cell membrane proteins,
by genetic manipulation (knock-in). Articles that
used this type of optogenetic technology was
reviewed, especially those of the role of two
neuropeptides that regulate from the lateral
hypothalamus different sleep stages and eating
behavior. Orexins, also called hypocretins, are two
neuropeptides, which selectively suppress sleep
and sleep with rapid eye movement (REM sleep).
Mutation in one of their receptors, orexin subtype
two, has detected as the agent in Doberman dogs
narcolepsy. While narcolepsy in humans, it has
been proposed as autoimmune disease. The other
Abstract
neuropeptide studied was melanin-concentrating
hormone (MCH), which is also located in the
lateral hypothalamus. Their function in sleep is
to increased REM sleep, and promoting feeding
behavior by calorie deciencies. While orexin have
a role on the consumption of palatable foods, even
when calorie needs are already met. The knowledge
of optogenetics conrmed by the interaction of
these two neuropeptides in the regulation of sleep
and eating behavior, can help to understand health
problems such as childhood morbid obesity, where
sleep deciency correlates inversely with the
increase the body mass index.
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Las imágenes han sido muy importantes para poder
entender el mundo que nos rodea. La descripción
detallada de un evento queda reducida a una
simple delineación de reglas metodológicas, que se
aclaran cuando presenciamos el mismo evento en
imágenes y movimiento. Esto es lo que ocurre con la
optogenética.
En 1972, Francis Watson, codescubridor de la
estructura del ADN, propuso que se debería de
desarrollar un método neuronal que permitiera
“prender” y “apagar”, las células nerviosas y que
esto ocurriera en el preciso momento en que
estaban desarrollando sus conexiones siológicas.
Lo anterior asumía que no se deberían lesionar las
células nerviosas. Veinte años después, el mismo
Crick sugirió que esto podría implementarse con la
utilización de la luz. Poco después, esa tecnología
surgió a partir de las algas fotosensibles.1
El método nació en el años 2002, cuando un grupo
de investigadores que estudiaban un tipo de algas
fotosensibles, identicaron un canal iónico a sodio, el
cual permite, que estos seres se muevan en función
de la luz. Este receptor es el canal de rodopsina
subtipo 2 (ChR2), que es alterable con la luz azul, y
que permite que el ionóforo se abra e ingrese sodio,
con lo cual se generan corrientes eléctricas y la
despolarización.2
La alta delidad en las respuestas con aminoácidos
foto evocada, es ideal para el mapeo de circuito
asistidos con ChR2 y este enfoque, ha sido utilizado
con éxito, en diferentes campos de la neurociencia.
Por el contrario, los neuropéptidos emplean un modo
lento de comunicación y podrían requerir mayor
frecuencia y/o tiempo de estimulación para ser
liberados y se ha propuesto como una limitante de
este tipo de tecnología, que hasta hoy ha sido ecaz
en neurotransmisores de bajo peso molecular.3
Las sondas optogenéticas, desarrolladas
recientemente, expresan genéticamente canales
iónicos fotosensibles y bombas que en principio
Introducción superan estas limitaciones. Las sondas optogenéticas
permiten una resolución de milisegundos sobre el
control funcional en las poblaciones neuronales
seleccionadas, que han sido transfectadas con
vectores virales para que expresen los canales de
rodopsina-2. Este tipo de tecnología nos permitirá
conocer el funcionamiento de los circuitos en
enfermedades de tipo neurológicas y psiquiátricas.4
Por otro lado, la introducción de otro tipo de ARN
que exprese canales sensibles a luz naranja, como es
el caso de la halorrodopsina, NpHR, producen una
inhibición de las corrientes iónicas en las células, con
lo cual se ha propuesto, que esta tecnología pueda
ser utilizada para producir dispositivos que activan
o inhiban circuitos neuronales, en determinadas
enfermedades neuropsiquiátricas como la epilepsia,
Parkinson, dolor crónico, autismo, y otras.4
Otras proteínas transmembranales de la célula, del
tipo de bombas y canales iónicos se han agregado a
las herramientas que se emplean en la optogenética.
Entre otros, estos incluyen los receptores cis-
trans foto-sensible isomerizables, pro-proteínas y
ligandos, así como proteínas calcio uorescentes y
sensibles a colorantes y sensibles al voltaje. Aunque
las más utilizadas en la mayoría de los estudios son
las que utilizan rodopsinas como los canales de
rodopsina, halorodopsina y bacteriorrodopsina 5.
Al igual que la terapia génica experimental, el control
celular optogenético puede ser aplicado “in vivo”
mediante inyección directa de un gen funcional que
porta un vector en el tejido blanco, o “ex vivo”, por
la transducción de las células cultivadas in vitro y
en quienes se introduce el vector viral con dicho
gen funcional. Esta última estrategia puede ser una
de las que se emplee en seres humanos cuando se
utilizan células multipotenciales (stem cells).5
Hasta la fecha, hay muchos artículos de
investigación publicados y revisiones sobre el tema,
los cuales describen esta nueva tecnología. Sin
embargo, algunos de los informes se reeren a su
aplicación a las enfermedades neuropsiquiátricas.
La investigación optogenética más reciente en
estas enfermedades, incluyen la enfermedad de
Parkinson (EP), la epilepsia, la esquizofrenia, la
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ansiedad, el miedo, las conductas de recompensa, y
trastornos del sueño. 4
Algunos ejemplos sobre las aplicaciones de la
optogenética en el campo de la psiquiatría es
el modelo de roedor, en el que se desarrolla un
paradigma de ansiedad, después de insertar canales
sensibles a la luz en la amígdala, una vez que se
aplica la luz, se observa que ratones ansioso se
transformaban en sujetos temerarios. Lo interesante
de este estudio fue, que se pudieron ubicar los
canales en regiones especícas de la amígdala, de tal
forma que si a los animales se les estimula la amígdala
toda con luz, siguen estando ansiosos, pero esto no
ocurre si la luz se dirige especícamente a un grupo
nuclear, en donde se inhibe esta respuesta.6
En la EP se ha observado que, en un modelo de ratón
de esta enfermedad la Inhibición optogenética en el
núcleo subtalámico puede ser ecaz en la mejoría
de las extremidades anteriores que presentan
acinesia contralateral, pero no, en el cambio de
preferencia extremidad anterior o para reducir la
supersensibilidad de los receptor dopaminérgicos.
Estos hallazgos son útiles como base para futuros
estudios sobre la optogenética en la EP.7
EL CICLO SUEÑO-VIGILIA
El dormir y el estar despierto son actividades
cíclicas, que al contrario de lo que se opinaba en la
primera mitad del siglo XX, no son simplemente
procesos pasivos.8 En la última década han cobrado
especial interés las zonas del diencéfalo, y en
especial de hipotálamo lateral, en donde dos tipos
de neuropéptidos: las orexinas (ORX) (también
llamadas hipocretinas) y la hormona concentradora
de melanina (MCH), han conrmado la visión
ancestral y de conocimiento popular, de que el
dormir tiene funciones “nutricionales”, a la vez que
de restauración de energía, no solo del cerebro, sino
del resto de los órganos del cuerpo.9-12
La hormona concentradora de melanina (MCH) es
un péptido orexigénico (que promueve el hambre),
hipotalámico de 19 aminoácido cíclicos aislada
originalmente de la glándula pituitaria del pez
teleósteo donde controla la pigmentación de la piel.
En los mamíferos, la MCH está involucrada en la
regulación de la conducta alimenticia, el estado
de ánimo y el equilibrio energético. Las neuronas
que expresan la MCH están situadas en el
hipotálamo lateral y en la zona incerta. A pesar de
esta distribución, las neuronas MCH se proyectan
ampliamente por todo el cerebro. Los ratones
sin MHC son hipofágicos (comen menos) y son
delgados. Cuando se le administra centralmente, el
ratón incrementa su ingesta de comida y sube de
peso.13
El estar despierto, el sueño sin movimientos
oculares rápidos o sueño No-MOR y el sueño MOR,
son regulados por una interacción coordinada
entre neuronas especícas de determinadas zonas
de hipotálamo y el tallo cerebral. Los grupos de
excitación son colectivamente representado por
las neuronas que contienen acetilcolina, histamina,
norepinefrina y serotonina, o péptidos especícos,
tales como la orexina. Las neuronas activas durante
el dormir, están presentes en el hipotálamo lateral y
el área ventral lateral preóptica (VLPO) del cerebro
anterior basal.14, 15
La estimulación optogenética de las neuronas
de excitación de los núcleos antes mencionados
despiertan al animal, lo que refuerza su posición en
los modelos de las redes de la regulación del sueño-
vigilia. Sin embargo, no se sabe si las estimulaciones
son selectivas de las neuronas llamadas de sueño-
activo, es decir, aquellas que inducen el dormir,
dado que la metodología de estimulación eléctrica
es poco especíca y activa o inhiben un gran número
de células además de las protagonista.16-18
Un grupo de neuronas activas durante el sueño
activo contiene la MCH. Estas neuronas MCH
se encuentran en el hipotálamo y proyectan
ampliamente a todo el cerebro, incluyendo a las
neuronas de activación de la vigilia. En un estudio
reciente, el gen para el canal rodopsina-2 (ChR2)
se insertó utilizando un promotor MCH cuya
especicidad ya se ha establecido. Los investigadores
demostraron que la estimulación optogenética de
las neuronas MCH aumentan el sueño, contra un
fuerte impulso de vigilia, pues se estimularon en la
fase de oscuridad de los animales. Por lo tanto las
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neuronas MCH, son candidatas a la inducción del
sueño en los modelos de las redes de la regulación
del sueño-vigilia.19
Las neuronas que contienen MCH se colocalizan
con las neuronas productoras de orexina /
hipocretina en el hipotálamo lateral, estando en
diferentes neuronas, las primeras, con el fenotipo
MCH, son más numerosas y se extienden en el
hipotálamo rostro-caudalmente. Las neuronas
MCH proyectan ampliamente a todo el cerebro y
presentan una inervación densa a las estructuras
colinérgicas y otros centros de excitación
monoaminérgicos. También a las neuronas MCH
se les ha encontrado como poseedoras de una
gran actividad GABAérgica. Mientras que los
receptores de MCH del tipo uno (MCHR1), son
los únicos receptores que se encuentra en los
roedores. Estos presentan una activación de sub-
unidades Gq, Gi, y Go a nivel sub celular, por lo
tanto el principal efecto de la activación de este
receptor MCHR1, al disminuir los niveles de
cAMP, es el de general una inhibición presináptica
y efectos inhibitorios postsinápticos. Por lo
tanto, las neuronas de MCH, ejercen efectos
inhibitorios.20, 21
Las neuronas MCH ha sido implicado en varias
funciones, incluyendo alimentación, balance
de energía, y la actividad locomotora,22-24 su
participación en el sueño y la vigilia también ha
sido estudiado ampliamente. Inyecciones intra
cerebro-ventricular de MCH, en el período
temprano, en la fase de oscuridad, en donde
se observa un aumento del sueño MOR en un
esquema dosis dependiente,25 aunque algunas
dosis de MCH también aumentan el sueño No-
MOR.19
Estos resultados son consistentes con la
observación de que las inyecciones de MCH intra
cerebro ventricular, aumentan ambos estados del
sueño, pero está en desacuerdo con los resultados
de la neuroanatomía funcional, la farmacológica
y la optogenética, cuyos resultados indican,
especícamente, el papel de las neuronas de MCH
como más delimitadas en la regulación del sueño
MOR.26
En este punto, hay una discrepancia entre el
papel de las neuronas MCH en la regulación de
las dos fases del dormir: sueño No-MOR y sueño
MOR. Una fuente importante de discordancia
en los estudios de optogenética, pueden ser el
número de neuronas MCH transfectadas por el
vector viral y que podrían no ser activadas por
la foto estimulación. Para tratar de remediar
esto, se desarrollaron ratones transgénicos
mutantes (knock-in), que desplegaron el canal
de rodopsina-2 para responder a la estimulación
luminosa, o el canal ARCH rodopsina, con funciones
de inhibición ante un espectro determinado de
luz. Finalmente ambos canales debieron estar
localizado sólo en las neuronas MCH. Este tipo
de ingeniería genética, permite el desarrollo de
ratones knock-in dobles, es decir que expresen
proteínas, en este caso de canales sensibles a la
luz, en un fenotipo neuronal especíco.
Los autores de este estudio encontraron que
la estimulación optogenética de las neuronas
MCH induce el sueño MOR, y que la estimulación
continua con luz de longitud de onda azul, produjo
un aumento prolongado del sueño MOR neto,
con una reducción del sueño No-MOR. Aunque
la inhibición optogenética no mostró ningún
efecto sobre el ciclo sueño-vigilia. La ablación
con toxina diftérica de las neuronas MCH, mostró
un estado de disminución de necesidad de sueño
(hiposomnia).21 Sin embargo, si bien la destrucción
de las células MCH suprime el sueño No-MOR,
no tiene ningún efecto sobre el sueño MOR. Lo
anterior cuestiona una explicación causal lineal
entre MCH y sueño MOR. Una explicación al
respecto puede estar en relación al otro sistema
neuronal con el que se conectan las neuronas
MCH, las neuronas ORX, en el mismo hipotálamo
lateral, y que parecen tener las mismas funciones
pero de manera recíproca.
La orexina y la MCH residen en el área
hipotalámica lateral (LHA) y regulan el sueño y el
comportamiento de alimentación en mamíferos.
En los roedores, las neuronas de orexina están
implicados en la regulación de la vigilia y el
consumo de comida apetecible (aquella que se
ingiere por placer no para compensar las baja de
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energía), mientras que las neuronas con MCH
están implicados en la regulación del sueño y el
consumo de calorías.19
La regulación de la alimentación también implica
un circuito neuronal, descrito como el circuito de
alimentación, que incluye las regiones de entrada y
de salida del núcleo arcuato (ARC) en hipotálamo.
La importancia de las neuronas del núcleo ARC
para la conducta alimentaria se demuestra por
la ablación de la principales neuronas del núcleo
ARC, que puede causar una inanición fatal en ratas
adultas.27 Tanto el sistema activador ascendente
(SAA) que interviene en parte, en el mantenimiento
de la vigilia y en el circuito de alimentación, son
moduladas por neuropéptidos que regulan la
actividad de las neuronas principales en el LHA,
a saber, las de orexina y las de MCH. Este par de
familias de péptidos, regulan desde el hipotálamo
la conducta del dormir y la alimentación. Estas
conductas no son homogéneas. Por ejemplo el ciclo
sueño-vigilia, presenta diferentes estados o fases,
con un correlato neural y mental diferentes.15 Lo
mismo ocurre con la función de alimentación, en
donde hay la dimensión de ingesta de alimentos
por necesidad calórica y otro tipo de conducta de
ingesta, que aún cuando puedan tener la misma
función calórica, producen una condición extra de
tipo placentera y pueden ser ingeridos aún cuando
el animal este saciado calóricamente.
Las orexinas son dos péptidos OREX-A y OREX-B,
que se producen por uno de los dos exones del gen
preproorexina. Ambos péptidos se pueden unir a
sus receptores OX1R y OX2R. Ambos receptores
están acoplados a proteínas G. La OREX-A tiene
mayor anidad por el OX1R, en un orden de
magnitud, en comparación al OX2B, al cual también
se une. El OX2B, tiene la misma anidad para los dos
tipos de orexinas. Las orexinas pueden facilitar los
potenciales excitatorios postsináptico mediados
por la liberación de glutamato desde las mismas
neuronas OREX (coliberación). Y se ha observado
un efecto de tipo despolarización de las neuronas
in vivo. Esto implica que las neuronas orexinérgicas
generan potenciales excitatorios.10, 28
La MCH humana es uno de los tres neuropéptidos
codicada por el gen PMCH. Hay dos GPCRs
relacionados a la MCH, y hay dos tipos de receptores:
receptor MCH 1 (MCHR1) y del receptor MCH
2 (MCHR2). Solamente los mamíferos de orden
superior, tales como hurones, perros y primates
expresan el MCHR2 funcional. Todas las neuronas
MCH contienen ARNm para la isoforma 67 de al
descarboxilasa de ácido glutámico (GAD67) 29. El
MCH puede tener un papel de potenciar el efecto
inhibitorio de la transmisión GABAérgica en las
terminales neuronales MCH.
Los vertebrados pueden hacer la transición de
un estado de excitación (Vigilia, sueño No-MOR
o sueño MOR) a otro, en respuesta a los cambios
en la actividad dentro de la SAA. Alguna regiones
de SAA promueven o fomentan el sueño, la última
clase se subdivide en las que promueven el sueño
MOR (REMS-on) y las que promueven el sueño No-
MOR (REMS-off). El SAA se divide en estructuras
del tálamo y otras estructuras extra talámicas. Los
núcleos pedunculopontino (PPT) y laterodorsal
tegmental (LDT) tienen proyecciones hasta el
tálamo, mesencéfalo o proyecciones a través
de la formación reticular para el cerebro basal
anterior (BF). El sistema extra talámico, consiste
en el núcleo dorsal del rafe (DRN), locus coeruleus
(LC), LHA, núcleo tuberomamilar (RGT), ventral
y ventrolateral (VPAG), así como las sustancia
gris periacueductal (vlPAG), y los núcleos
paraventricular pre óptico (VLPO) y núcleo medial
preóptico (MNPO).30
Los modelos funcionales de los circuitos SAA se han
utilizado para explicar las transiciones de estado
de excitación en los mamíferos. El interruptor de
vigilia-sueño describe las transiciones entre la
vigilia y el sueño No-MOR,31 y los interruptores
de sueño MOR y sueño No-MOR describe las
transiciones entre los sueño No-MOR y sueño
MOR durante el dormir.32 Estos modelos consisten
en conexiones inhibitorias mutuas, como se explica
en un circuito ip-op eléctricos, que permiten
transiciones dicotómicas entre los estados de
excitación.30, 33, 34
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El interruptor de vigilia-sueño se compone
principalmente de una inhibición reciproca de tipo
GABAérgica entre los núcleos promotores del
sueño, en la región preópticas (VLPO y MNPO)
y los dos núcleos colinérgicos, promotores del
despertar LDT y PPT, además de los núcleos
glutamatérgicos del peri locus cerúleos y para
braquiales (P-LC y PB) del tronco cerebral, todos
ello con funciones de promotores del despertar,
con un aporte adicional del tipo monoaminérgico,
como son los núcleos del rafe dorsal, locus
cerúleos, el núcleo tuberomamilar y de la región
de sustancia gris ventral peri acueductal (DRN,
LC, TMN y VPAG). Los interruptores de la vigilia al
sueño, pueden incorporar presión homeostática
del sueño, en forma de activación de la región
VLPO, con receptores a adenosina tipo 2 (A-2).
Las neuronas con ORX pueden promover el estar
despierto mediante la interacción de los núcleos de
vigilia con un efecto de tipo homeostáticos (VLPO)
y circadianos (núcleos supraquiasmáticos).35, 36
El LHA tiene tres poblaciones distintas de las
neuronas principales: las neuronas con orexina, las
neuronas con HCM y las neuronas que contienen
la isoforma 65 de la descarboxilasa del ácido
glutámico (GAD65), denominadas “neuronas
GAD65.37 Las neuronas con orexina disparan
sólo durante la vigilia, mientras que las neuronas
GAD65 y las MCH disparan sólo durante el sueño
y su actividad máxima es durante el sueño MOR.38
Estos perles de acción pueden ser impuestos por
la actividad tónica de los promotores del despertar
y las regiones SAA, para fomentar el sueño, como
son la histamina, la cual pueden ser inhibida, de
manera potente por las neuronas MCH in vitro.39
Estos perles de descarga de las neuronas LHA
permiten una simplicación de los interruptores
ip-op. Las transiciones de sueño No-MOR a
vigilia, es el resultado de una sobre activación
de las neuronas que dominan, en la reacción del
despertar, es decir promotoras de la vigilia, como
las neuronas con orexina (necesidad vigilia) y que
se oponen a las que estimulan el sueño, esto es las
neuronas MNPO / VLPO (la necesidad de sueño).40
Las neuronas con ORX se han estudiado in
vivo a través de la foto-estimulación del canal
rodopsina-2 (ChR2) en roedores transgénicos
para las neuronas de ORX, que co-expresan ChR2
(Ox / ChR2). La foto estimulación de neuronas
con ChR2 puede activar la transmisión mediada
por los receptores glutamatérgicos de AMPA.
Las neuronas de orexina pueden inducir los
despertares como la fotoestimulación de neuronas
ChR2 durante el período reposo circadiano (luz)
de manera signicativa. Y disminuyen la latencia
entre el inicio del sueño y el despertar, desde el
sueño MOR y el sueño NO-MOR, respecto a los
animales controles16 esto en las ratas que son
privadas durante más de dos horas de sueño.18 En el
experimento anterior, las ORX ejercieron su acción
en contra de la presión de sueño, como resultado
de la privación por dos horas. En resumen, en este
trabajo, se ha conrmado el papel de las ORX en los
mecanismos de promoción de la vigilia.
Por otro lado al menos dos estudios de foto
estimulación han apoyado la capacidad de las
neuronas MCH para promover el sueño MOR in
vivo. En primer lugar, la foto estimulación de las
neuronas MCH en el inicio de un episodio de sueño
MOR prolonga su duración (≈45%), mientras que la
foto estimulación de las neuronas MCH al inicio de
un episodio No-MOR aumenta la frecuencia de las
transiciones (≈80%) entre sueño No-MOR a Sueño
MOR 26. Investigaciones posteriores mostraron
que la duración de los episodios de sueño MOR
pueden ser aumentados por la foto estimulación
de las terminales de MCH, lo cual indica que las
neuronas con MCH inhiben la actividad promotora
del despertar de las monoaminas.
En segundo lugar, las neuronas MCH, con foto
estimulación durante el período activo circadiano
(oscuridad), disminuyen signicativamente la
duración de la vigilia y aumenta la frecuencia de
todas las transiciones entre las diferentes fases de
vigilia y sueño19 En resumen, los estudios mediante
optogenética han indicado que la señalización de
las neuronas MCH puede aumentar y potenciar la
duración y la frecuencia de los episodios de sueño
MOR.
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CENTROS DE REGULACIÓN DE APETITO
El orquestar óptimamente los estados de
comportamiento complejos, tales como la búsqueda
y consumo de alimentos, es fundamental para la
supervivencia de un organismo. El hipotálamo
antero lateral (LHA) es una región neuroanatómica
esencial para los comportamientos apetitivos
y consumatorios, pero las neuronas individuales
para estos procesos dentro de LHA, que puedan
contribuir a esto y como están interconectadas
se desconoce. Mediante la técnica optogenética
selectiva de estimulación, se ha podido identicar, un
subconjunto de neuronas, denidas en su fenotipo
molecular dentro de LHA que corresponden a
productoras de GABA o GABAérgica (neuronas que
expresan VGAT) y glutamato. Estas regulan tanto
el apetito y los comportamientos consumatorios.
Mientras que la ablación genética de estas neuronas
reducen estos fenotipos. Además, estas coordinan a
un subpoblación de células en el LHA que contienen
a la neuronas MCH y Orx.
La regulación de la alimentación implica respuestas
de las neuronas del núcleo ARC a la entrada de
señales como las leptinas. La resistencia a la leptina
congénita, se correlaciona con la obesidad humana,
y la leptina puede despolarizar las neuronas del
núcleo ARC ex vivo.41 Las conductas de forrajeo, la
aversión al sabor y la ingesta de calorías implican
un circuito neuronal descrito como el circuito de
alimentación, que incluye conexiones desde y hacia
las tres poblaciones neuronales GABAérgica del
núcleo ARC: y los péptidos relacionado a agutí y el
neuropéptido Y (AgRP), así como las neuronas con la
proopiomelanocortina (POMC) y las otras que son
sensibles a la insulina.
La fotoestimulación de las neuronas AgRP evocan
forrajeo y un comportamiento de alimentación
voraz en ratas, lo que indica que estas neuronas
pueden determinar el hambre.42 Hasta la fecha,
seis proyecciones de axones han sido conocidas
como con una actividad que induce la alimentación
cuando son fotoestimuladas, cuatro de las cuales
son proyecciones neuronales inhibitorias AgRP
y hacia otro tipo de regiones del circuito de
la alimentación.43 La mayor subpoblación que
proyecta son las neuronas oxitocinérgicas hacia
AgRP, y las neuronas del hipotálamo paraventricular
(PVH). Como la ingesta de alimentos evocados por
fotoestimulación de neurona AgRP son similares a
los evocados por el silenciamiento de las neuronas
PVH, la conectividad entre las neuronas AgRP y
PVH puede ser particularmente importante para
la alimentación.44 Esto es apoyado por la presencia
adicional de proyecciones desde el PVH a la AgRP,
que evocan la alimentación cuando son estimuladas
opto genéticamente.45 La fotoestimulación de
proyecciones neuronales desde la AgRP a la LHA
también puede evocar la alimentación; sin embargo,
el poblaciones neuronales LHA implicadas siguen
sin ser identicadas.43
Las neuronas de orexinérgicas motivan el
consumo de alimentos apetecibles
Las neuronas de orexinérgicas pueden no regular
signicativamente la alimentación normal, como
ocurre con los ratones knock-out para la prepro-
orexina, ya que estos animales, al igual que los
de tipo salvaje consumen cantidades similares
de comida.46 Sin embargo, la fotoestimulación de
los terminales neuronales del núcleo de la cama
de la estría terminalis (aBNST) a las neuronas
glutamatérgicas de la región LHA, puede evocar
el consumo de alimentos muy apetecibles, en
ratones bien alimentados.47 Esto indica que las
neuronas de orexina median el consumo excesivo
de alimento altamente apetecibles. El consumo
de estos alimentos se basa en la señalización del
péptido orexina, como se observó cuando se realizó
la administración de un antagonista selectivo del
receptor OX1R o un antagonista doble OX1R
/ OX2R, pero no con un antagonista selectivo
para OX2R, estos antagonistas pueden reducir la
ingesta de alimentos muy apetecibles de manera
signicativa, sin alterar la ingesta de comida.48
Esto se ve apoyado por numerosos estudios
en donde los antagonistas a OX1R reducen la
autoadministración de sacarosa.49,50 Estos hallazgos
indican que los antagonistas selectivos al receptor
OX1R son candidatos farmacológicos potenciales
para el tratamiento del trastorno compulsivo de la
alimentación.
Revista Mexicana de Neurociencia Mayo-Junio, 2015; 16(3): 39-51
Revisión.
Optogenética: la luz como una herramienta para el estudio del funcionamiento
cerebral en los mecanismos del sueño-vigilia y la conducta alimentaria
47
Las orexinas también puede modular la excitación
en respuesta al consumo de comida muy apetecible.
El reemplazo del tipo de comida regular por comida
apetecible, aumentó la frecuencia de eventos de
tipo cataplexicos en ratones narcolépticos knock-
out para la prepro-orexina - / -.51, 52 La ablación
genética de las neuronas de orexina causas en esto
ratones una disminución en el estado de vigilia,
durante el período inactivo circadiano (luminoso)
en relación al ayuno en los animales controles de
tipo salvaje.53 Esto sugiere una superposición de
funciones entre los circuitos LHA que regulan el
hambre y el sueño. La orexina puede mantener un
estado de actividad aumentada en los animales
hambrientos, durante los períodos inactivos
circadianos para dar prioridad a la señal de inanición
como una amenaza mayor a la supervivencia que la
privación sueño o un ataque de los predadores.54
La orexina puede evitar el hambre fatal también
durante estados de hipersomnia, en donde los niveles
bajos de glucosa después de periodos prolongados
de sueño podría desinhibir el despertar actividad,
esto es la actividad de la orexina es promotora del
restablecimiento de la alimentación, mediante el
despertar.
Las neuronas de orexina y MCH regulan
la excitación con respecto al hambre
Un animal sano evita la falta de sueño y el hambre.
Busca el dormir poco después de comer y comer
poco después de despertar. Esta estrategia de
comportamiento puede ser regulada por la orexina
y por las neuronas con MCH, ya que estas neuronas
tienen un papel destacado en los circuitos neuronales
que regulan el sueño y la alimentación. Dentro del
SAA, las neuronas de orexina prolongan la duración
de la vigilia, mientras que las neuronas de MCH
prolongan la duración del sueño MOR. Dentro del
circuito de alimentación, las orexina y las neuronas
con MCH promueven la alimentación a través de
la interacción con las neuronas del núcleo ARC de
tal manera que las neuronas de orexina motivan la
ingesta de alimento sabroso al consumo, mientras
que las neuronas MCH motivan el consumo de
comida calórica. Aquí, la interconectividad entre
la LHA y el núcleo ARC, pueden coordinar juntos,
la duración del sueño y la alimentación en relación
a las prioridades (inanición vs. privación del sueño)
de continuas amenazas a la supervivencia de un
animal. La dependencia de los circuitos neuronales
que gobiernan los distintos programas de
comportamiento de sueño y alimentación tienen
una regulación común y conjunta de los sistemas
de orexina y de las neuronas con MCH para facilitar
la sintonía entre estos circuitos. En conclusión, la
orexina y las neuronas de MCH podrán coordinar
la alternancia entre dormir y la alimentación para
reducir al mínimo las amenazas para la supervivencia,
al caer o permanecer dormidos durante hambrunas
severas. Otros sistemas son también relevantes
en esta dirección, como es el caso de la adenosina,
que activa al núcleo VLPO, el cual interactúa con
los sistemas de vigilia, incluyendo las neuronas
orexinérgicas y del SAA.55, 56
Revista Mexicana de Neurociencia Mayo-Junio, 2015; 16(3): 39-51
Revisión.
Optogenética: la luz como una herramienta para el estudio del funcionamiento
cerebral en los mecanismos del sueño-vigilia y la conducta alimentaria
48
La tecnología de la optogenética, parece cumplir
su función de disecar de manera puntual el
como las neuronas con determinados fenotipos
de transmisión se interrelacionan y explican
conductas complejas en su regulación como es el
caso del dormir y la alimentación. Por supuesto,
que además de los dos sistemas de neuropéptidos
ejemplicados en esta revisión, existen otros
sistemas de neurotransmisión implicados en las
conductas aquí ejemplicadas. En particular el
caso de la interacción entre el dormir y la conducta
alimentaria se ha elevado a una nueva dimensión
de estudio, por la epidemia de obesidad que se
observa en la mayoría de los países de occidente, y
en especial es el caso de los niños.57
Según la Organización Mundial de la Salud, este
problema ha adquirido una dimensión de epidemia
mundial, en la encuesta The National Health and
Nutrition Examination Survey, conducida entre
2007 a 2008, se encontró que el 17 % de los
niños entre 2 a 19 años eran obesos, siguiendo
los criterios del índice de masa corporal (BMI >
a 95 percentiles por edad y crecimiento). Esto es
el triple de lo reportado con la misma encuesta
en 1976-1980. De estos niños obesos, el 12%
corresponden a obesidad mórbida. Estos datos
por si mismos, están por arriba de la morbilidad
combinada de enfermedades como la brosis
cística, diabetes juvenil, VIH, y cáncer. Los niños
Conclusiones
y adolescentes obesos son muy probable que
sean adultos obesos, expuestos a enfermedades
como diabetes, enfermedades cardiovasculares,
síndrome de ovarios poliquísticos, síndrome
de apnea obstructiva del sueño, alteraciones
ortopédicas diversas, y una disfunción psicológica
severa (ansiedad social) 57.
Uno de los factores relevantes en este tipo de
obesidad ha sido la restricción de sueño. En un
meta-análisis de 20 estudios publicados entre
2004 y 2010, en los siete estudios que incluían
niños, se demostró de manera consistente la
relación inversa entre el tiempo de sueño y
aumento de peso.58
Los resultados de esta revisión sobre la
optogenética y la regulación de dos tipo
de conducta interrelacionadas, dormir y
alimentación, enmarcadas en el problema de la
obesidad infantil, proponen que las contribuciones
de las neurociencias permitan diseñar nuevas
estrategias de detección genética y farmacológicas,
que puedan ser de utilidad para limitar la epidemia
de obesidad infantil. Este es un ejemplo, de cómo
el conocimiento que resulta de la investigación
básica, como es la optogenética, puede trasladarse
hasta el terreno clínico y generar nuevas
estrategias de entendimiento y tratamiento.
Revista Mexicana de Neurociencia Mayo-Junio, 2015; 16(3): 39-51
Revisión.
Optogenética: la luz como una herramienta para el estudio del funcionamiento
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www.revmexneuroci.com
... Por otra parte, algunas investigaciones señalan que la generación de luz emitida por los dispositivos, produce especial repercusión (Salin-Pascual, 2015). Es así como, en los estudios de Peñuela-Epalza et al. (2015) mencionan como la Organización Mundial de la Salud-OMS (2014) afirma que la relación entre la intensidad y las frecuencias emitidas por los campos electromagnéticos y sus efectos sobre el organismo, es compleja, puesto que la actividad del sistema reticular se afecta junto con la homeostasis de una serie de neurotransmisores como la acetilcolina, histamina, serotonina, entre otros (Acosta, 2019), conllevando a deficiencias en la planificación o resolución de problemas de tareas grandes, como dificultades relacionados con el insomnio, el cual es estimado como una complicación de salud, para aproximadamente el 80% de la población (Carrillo- Mora et al., 2018). ...
Article
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Introducción: La salud se ve influenciada por diversas situaciones y una preocupación en el ámbito universitario corresponde a la falta de sueño y dedicación a otras actividades que pueden afectar el rendimiento académico, tal es el caso del uso de los dispositivos electrónicos influenciando el proceso de comunicación. Objetivo: Analizar la relación entre cronotipo y rendimiento académico de los universitarios en Popayán, Colombia. Metodología: Estudio descriptivo correlacional, con una muestra estratificada de 295 universitarios obtenida con un nivel de confianza del 95%, a quienes se les aplicó el cuestionario Horne-Ostberg, validado al español con un coeficiente alfa de Cronbach de 0.55 (nivel moderado) y, para identificar el rendimiento académico se utilizó el promedio general de carrera. Los datos se analizaron teniendo en cuenta las pruebas de normalidad, estimando estadísticos descriptivos y de dispersión, utilizando Chi cuadrado para variables nominales y el índice de correlación de Pearson para numéricas (p ≤ 0.05). Resultados y discusión: Los estudiantes presentaron una tendencia de cronotipo intermedio y un promedio académico de 3,766 ± 0.259; el cronotipo y el tiempo de uso de dispositivos presentaron significancia estadística, determinando correlaciones altas para las variables estudiadas. Conclusiones: Se demostró una asociación alta entre el cronotipo y el rendimiento académico, señalando que en esta población el tiempo en pantalla afecta la relación sueño y vigilia, indicador para la generación de estrategias orientadas a la promoción de la salud y el fortalecimiento del desempeño estudiantil.
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Neurons containing orexin (hypocretin), or melanin concentrating hormone (MCH) are intermingled with each other in the perifornical and lateral hypothalamus. Each is a separate and distinct neuronal population, but they project to similar target areas in the brain. Orexin has been implicated in regulating arousal since loss of orexin neurons is associated with the sleep disorder narcolepsy. Microinjections of orexin into the brain or optogenetic stimulation of orexin neurons increase waking. Orexin neurons are active in waking and quiescent in sleep, which is consistent with their role in promoting waking. On the other hand, the MCH neurons are quiet in waking but active in sleep, suggesting that they could initiate sleep. Recently, for the first time the MCH neurons were stimulated optogenetically and it increased sleep. Indeed, optogenetic activation of MCH neurons induced sleep in both mice and rats at a circadian time when they should be awake, indicating the powerful effect that MCH neurons have in suppressing the wake-promoting effect of not only orexin but also of all of the other arousal neurotransmitters. Gamma-Aminobutyric acid (GABA) is coexpressed with MCH in the MCH neurons, although MCH is also inhibitory. The inhibitory tone of the MCH neurons is opposite to the excitatory tone of the orexin neurons. We hypothesize that strength in activity of each determines wake vs. sleep.
Article
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Rapid eye movement (REM) sleep is an important component of the natural sleep/wake cycle, yet the mechanisms that regulate REM sleep remain incompletely understood. Cholinergic neurons in the mesopontine tegmentum have been implicated in REM sleep regulation, but lesions of this area have had varying effects on REM sleep. Therefore, this study aimed to clarify the role of cholinergic neurons in the pedunculopontine tegmentum (PPT) and laterodorsal tegmentum (LDT) in REM sleep generation. Selective optogenetic activation of cholinergic neurons in the PPT or LDT during non-REM (NREM) sleep increased the number of REM sleep episodes and did not change REM sleep episode duration. Activation of cholinergic neurons in the PPT or LDT during NREM sleep was sufficient to induce REM sleep.
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Melanin-concentrating hormone (MCH) is a neuropeptide produced in neurons sparsely distributed in the lateral hypothalamic area. Recent studies have reported that MCH neurons are active during rapid eye movement (REM) sleep, but their physiological role in the regulation of sleep/wakefulness is not fully understood. To determine the physiological role of MCH neurons, newly developed transgenic mouse strains that enable manipulation of the activity and fate of MCH neurons in vivo were generated using the recently developed knockin-mediated enhanced gene expression by improved tetracycline-controlled gene induction system. The activity of these cells was controlled by optogenetics by expressing channelrhodopsin2 (E123T/T159C) or archaerhodopsin-T in MCH neurons. Acute optogenetic activation of MCH neurons at 10 Hz induced transitions from non-REM (NREM) to REM sleep and increased REM sleep time in conjunction with decreased NREM sleep. Activation of MCH neurons while mice were in NREM sleep induced REM sleep, but activation during wakefulness was ineffective. Acute optogenetic silencing of MCH neurons using archaerhodopsin-T had no effect on any vigilance states. Temporally controlled ablation of MCH neurons by cell-specific expression of diphtheria toxin A increased wakefulness and decreased NREM sleep duration without affecting REM sleep. Together, these results indicate that acute activation of MCH neurons is sufficient, but not necessary, to trigger the transition from NREM to REM sleep and that MCH neurons also play a role in the initiation and maintenance of NREM sleep.
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Studies of amygdala functioning have occupied a significant place in the history of understanding how the brain controls behavior and cognition. Early work on the amygdala placed this small structure as a key component in the regulation of emotion and affective behavior. Over time, our understanding of its role in brain processes has expanded, as we have uncovered amygdala influences on memory, reward behavior, and overall functioning in many other brain regions. Studies have indicated that the amygdala has widespread connections with a variety of brain structures, from the prefrontal cortex to regions of the brainstem, that explain its powerful influence on other parts of the brain and behaviors mediated by those regions. Thus, many optogenetic studies have focused on harnessing the powers of this technique to elucidate the functioning of the amygdala in relation to motivation, fear, and memory as well as to determine how the amygdala regulates activity in other structures. For example, studies using optogenetics have examined how specific circuits within amygdala nuclei regulate anxiety. Other work has provided insight into how the basolateral and central amygdala nuclei regulate memory processing underlying aversive learning. Many experiments have taken advantage of optogenetics’ ability to target either genetically distinct subpopulations of neurons or the specific projections from the amygdala to other brain regions. Findings from such studies have provided evidence that particular patterns of activity in basolateral amygdala glutamatergic neurons are related to memory consolidation processes, while other work has indicated the critical nature of amygdala inputs to the prefrontal cortex and nucleus accumbens in regulating behavior dependent on those downstream structures. This review will examine the recent discoveries on amygdala functioning made through experiments using optogenetics, placing these findings in the context of the major questions in the field.
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Paradoxical sleep (PS) is a state characterized by cortical activation, rapid eye movements and muscle atonia. Fifty years after its discovery, the neuronal network responsible for the genesis of PS has been only partially identified. We recently proposed that GABAergic neurons would have a pivotal role in that network. To localize these GABAergic neurons, we combined immunohistochemical detection of Fos with non-radioactive in situ hybridization of GAD67 mRNA (GABA synthesis enzyme) in control rats, rats deprived of PS for 72 h and rats allowed to recover after such deprivation. Here we show that GABAergic neurons gating PS (PS-off neurons) are principally located in the ventrolateral periaqueductal gray (vlPAG) and the dorsal part of the deep mesencephalic reticular nucleus immediately ventral to it (dDpMe). Furthermore, iontophoretic application of muscimol for 20 min in this area in head-restrained rats induced a strong and significant increase in PS quantities compared to saline. In addition, we found a large number of GABAergic PS-on neurons in the vlPAG/dDPMe region and the medullary reticular nuclei known to generate muscle atonia during PS. Finally, we showed that PS-on neurons triggering PS localized in the SLD are not GABAergic. Altogether, our results indicate that multiple populations of PS-on GABAergic neurons are distributed in the brainstem while only one population of PS-off GABAergic neurons localized in the vlPAG/dDpMe region exist. From these results, we propose a revised model for PS control in which GABAergic PS-on and PS-off neurons localized in the vlPAG/dDPMe region play leading roles.
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The hypocretin (Hcrt), also known as orexin, peptides are essential for arousal stability. Here we discuss background information about the interaction of Hcrt with other neuromodulators, including norepinephrine and acetylcholine probed with optogenetics. We conclude that Hcrt neurons integrate metabolic, circadian and limbic inputs and convey this information to a network of neuromodulators, each of which has a different role on the dynamic of sleep-to-wake transitions. This model may prove useful to predict the effects of orexin receptor antagonists in sleep disorders and other conditions.
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In 1998, our group discovered a cDNA that encoded the precursor of two putative neuropeptides that we called hypocretins for their hypothalamic expression and their similarity to the secretin family of neuropeptides. In the last 16 years, numerous studies have placed the hypocretin system as an integrator of homeostatic functions with a crucial, non-redundant function as arousal stabilizer. We recently applied optogenetic methods to interrogate the role of individual neuronal circuits in sleep-to-wake transitions. The neuronal connections between the hypocretin system and the locus coeruleus (LC) seem to be crucial in establishing the appropriate dynamic of spontaneous awakenings.
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In the last eight years optogenetic tools have been widely used to identify functional synaptic connectivity between specific neuronal populations. Most of our knowledge comes from the photo-activation of channelrhodopsin-2 (ChR2) expressing inputs that release glutamate and GABA. More recent studies have been reporting releases of acetylcholine and biogenic amines but direct evidence for photo-evoked released of neuropeptides is still limited particularly in brain slice studies. The high fidelity in the responses with photo-evoked amino-acid transmission is ideal for ChR2-assisted circuit mapping and this approach has been successfully used in different fields of neuroscience. Conversely, neuropeptides employ a slow mode of communication and might require higher frequency and prolonged stimulations to be released. These factors may have contributed to the apparent lack of success for optogenetic release of neuropeptides. In addition, once released, neuropeptides often act on multiple sites and at various distances from the site of release resulting in a greater complexity of postsynaptic responses. Here, we focus on what optogenetics is telling us — and failing to tell us — about fast neurotransmitters and neuropeptides.
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Optogenetic technology, also known as optogenetics, is a novel multidisciplinary field in biotechnology that integrates genetic engineering, electrophysiology, and optical and electronic engineering. This recently developed technology has evolved rapidly and generated considerable excitement in neuroscience research. This technology successfully solves the severe problem of achieving both high temporal and spatial precision within intact neural tissues of animals that electrical stimulation and pharmacological methods cannot achieve. It allows neurons to express light-sensitive genes that enable the identification, dissection, and manipulation of specific neural populations and their connections in the tissues and organs of awake animals with unprecedented spatial and temporal precision. Light-sensitive genes chiefly including the genetically targeted light-gated channels channelrhodopsin-2 (ChR2) and halorhodopsin (NpHR) cause intracellular ion flow during optical illumination. Subsequently, the neurons undergo a series of changes resulting from membrane depolarization or hyperpolarization. To date, there are many published research articles and reviews that describe this new technology; however, few of the reports concern its application to neuropsychiatric diseases. In this review, we summarize the most recent optogenetic research in these diseases, including Parkinson's disease (PD), epilepsy, schizophrenia, anxiety, fear, reward behaviors, and sleep disorders. We propose that novel optogenetics technology creates excellent opportunities for innovative treatment strategies of neuropsychiatric diseases.