Ученые могут управлять цепями мозга, поведением и эмоциями с помощью света. Исследователи разработали новый оптогенетический инструмент «Opto-vTrap», который, как ожидается, будет способствовать лечению эпилепсии, мышечных спазмов и морщин на коже.
Однако было трудно свободно контролировать активность клеток головного мозга в пространственно-временном режиме с использованием ранее существовавших методов. Один из них - это косвенный подход, который включает искусственное управление мембранным потенциалом клеток, но при этом возникают проблемы, связанные с изменением кислотности окружающей среды или нежелательными сбоями в работе нейронов. Более того, он неприменим для использования в клетках, которые не реагируют на изменения мембранного потенциала, таких как глиальные клетки.
Чтобы решить эту проблему, южнокорейские исследователи во главе с директором К. Джастином Ли из Центра познания и социальности Института фундаментальных наук (IBS) и профессором Хео Вон До из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) разработали Opto- vTrap, светоиндуцируемая и обратимая система ингибирования, которая может временно удерживать везикулы, чтобы они не высвобождались из клеток мозга. Opto-vTrap напрямую нацелен на передатчики, содержащие везикулы, и его можно использовать в различных типах клеток мозга, даже в тех, которые не реагируют на изменения мембранного потенциала.
Чтобы напрямую контролировать экзоцитотические везикулы, исследовательская группа применила технологию, которую они ранее разработали в 2014 году, под названием светоактивируемое обратимое ингибирование собранной ловушкой (LARIAT). Эта платформа может инактивировать различные типы белков при освещении синим светом, мгновенно захватывая целевые белки, как лариат. Opto-vTrap был разработан с применением этой платформы LARIAT для экзоцитоза везикул. Когда клетки или ткани, экспрессирующие Opto-vTrap, освещаются синим светом, везикулы образуют кластеры и захватываются внутри клеток, подавляя высвобождение передатчиков.
Что наиболее важно, торможение, запускаемое с помощью этой новой техники, носит временный характер, что очень важно для исследований в области нейробиологии. Другие предыдущие методы, нацеленные на слитые белки везикул, повреждают их навсегда и отключают целевой нейрон на срок до 24 часов, что не подходит для многих поведенческих экспериментов с короткими временными ограничениями. Для сравнения, везикулы, которые были инактивированы с помощью декластера Opto-vTrap примерно за 15 минут, и нейроны полностью восстанавливают свои функции в течение часа.
Opto-vTrap напрямую контролирует высвобождение передатчиков сигналов, позволяя исследователям свободно контролировать активность мозга. Исследовательская группа проверила возможность использования Opto-vTrap на культивируемых клетках и срезах ткани головного мозга. Кроме того, они протестировали технику на живых мышах, что позволило им временно удалить воспоминания о страхе у животных, обусловленных страхом.
В будущем Opto-vTrap будет использоваться для выявления сложных взаимодействий между несколькими частями мозга. Это будет очень полезный инструмент для изучения того, как определенные типы клеток мозга влияют на работу мозга в различных обстоятельствах.
Профессор Хео заявил: «Поскольку Opto-vTrap можно использовать в различных типах клеток, ожидается, что он будет полезен в различных областях исследований мозга», - пояснил он. «Мы планируем провести исследование, чтобы выяснить пространственно-временные функции мозга в различные типы клеток мозга в конкретной среде с использованием технологии Opto-vTrap ».
«Удобство использования Opto-vTrap может распространяться не только на нейробиологию, но и на нашу жизнь», - объясняет директор Ли. Он добавил: «Opto-vTrap внесет свой вклад не только в картирование мозговых цепей, но и в лечение эпилепсии, лечение мышечных спазмов и технологии расширения кожной ткани».