Ученые провели первое оптогенетическое исследование неограниченных социальных взаимодействий внутри групп животных. Оказалось, что имплантат для мозга позволяет удаленно контролировать социальные взаимодействия между мышами.
Впервые в истории инженеры и нейробиологи Северо-Западного университета, США, запрограммировали по беспроводной связи, а затем депрограммировали мышей для социального взаимодействия друг с другом в реальном времени. Ученым удалось управлять животными благодаря первому в своем роде сверхминиатюрному, беспроводному, безбатарейному и полностью имплантируемому устройству. Оно использует свет для активации нейронов.
Используя свет для воздействия на генетически модифицированные нейроны, ученые демонстрируют новые захватывающие способы управления очень специфическими областями мозга. Такая методика исследования работы нервных клеток известна как оптогенетика. Она основана на внедрении в их мембрану специальных каналов — опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Если на мозг воздействовать светом с определенной длиной волны, то те нейроны, которые имеют такие каналы, будут активироваться или, наоборот, не смогут генерировать потенциалы действия.
Для экспрессии каналов используются методы генной инженерии, для последующей активации либо ингибирования нейронов и нервных сетей используются лазеры, оптоволокно и другая оптическая аппаратура.
Преимущество оптогенетических методов перед традиционными электрофизиологическими методами изучения нервных сетей и воздействия на них состоит в возможности высокоселективной активации либо подавления конкретных нейрональных связей. Эта селективность открывает новые возможности в терапии болезни Паркинсона, депрессии, тревожности и эпилепсии.
Ученые из Северо-Западного университета открыли новые возможности в этой области, впервые применив новый имплант для программирования социальных взаимодействий между мышами. По словам исследователей, это закладывает основу для понимания того, как отношения формируются в сложных группах людей.
Тонкий, гибкий имплантат с беспроводной связью никак не мешал мышам и позволял наблюдать за ними в естественных условиях. Предыдущие исследования с использованием оптогенетики требовали волоконно-оптических проводов, которые ограничивали движения мышей во время социальных взаимодействий или в сложных условиях.
Сам имплантат — это крошечное беспроводное устройство, которое мягко опирается на внешнюю поверхность черепа, но под кожей и мехом небольшого животного. Его толщина — 0,5 мм. Он подключается к тонкому гибкому нитевидному зонду со светодиодами на конце.
В миниатюрном устройстве используются протоколы связи ближнего поля — та же технология, что и в смартфонах для электронных платежей. Исследователи управляют светом по беспроводной сети в реальном времени с помощью пользовательского интерфейса на компьютере. Антенна, окружающая вольер с животными, подает питание на беспроводное устройство, тем самым устраняя необходимость в громоздкой и тяжелой батарее.
Ученые разработали эксперимент по изучению оптогенетического подхода к дистанционному управлению социальными взаимодействиями между парами или группами мышей.
Когда мыши физически находились рядом друг с другом в замкнутой среде, инженеры и биологи по беспроводной связи синхронно активировали определенный набор нейронов в области мозга. Он связан с исполнительной функцией более высокого порядка. Таким образом, исследователи заставили мышей увеличивать частоту и продолжительность социальных взаимодействий. Десинхронизация стимуляции быстро снизила социальные взаимодействия в одной и той же паре мышей. В групповых условиях исследователи склоняли произвольно выбранную пару к взаимодействию. Также ученые заставлили мышей мгновенно связываться друг с другом по требованию.