Более века нейробиологи методично включали и выключали эти переключатели, по отдельности или в комбинации, пытаясь понять, как работает организм в целом. Но это легче сказать, чем сделать. Клеточные цепи, которые контролируют разум и поведение, переплетены во всей непрозрачной студенистой массе ткани нашего мозга и не снабжены удобными переключателями включения/выключения.
Теперь ученые из Института неврологии Ву Цай в Стэнфордском университете разработали первую неинвазивную технику для управления целевыми цепями мозга у животных, с возможностью контроля на расстоянии. У этого инструмента есть потенциал для решения одной из самых больших неудовлетворенных потребностей в неврологии: способ гибкого тестирования функций определенных клеток мозга и цепей глубоко в мозгу во время нормального поведения — например, когда мыши свободно общаются друг с другом.
Исследование было опубликовано 21 марта 2022 года в журнале Nature Biomedical Engineering Госонгом Хонгом и его коллегами из Наньянского технологического университета в Стэнфорде и Сингапуре. Хонг является научным сотрудником Института неврологии Ву Цая и доцентом материаловедения и инженерии в Стэнфордской инженерной школе. Он использует свой опыт в области химии и материаловедения для разработки биосовместимых инструментов и материалов для продвижения исследований мозга.
Недавно опубликованная методика основана на фундаменте, заложенном оптогенетикой, методике, впервые разработанной в Стэнфорде членом Wu Tsai Neuro Карлом Дейссеротом и его сотрудниками, которая вводит светочувствительные белки водорослей в нейроны, чтобы исследователи могли включать или выключать их в ответ на разные цвет освещения.
«Оптогенетика стала революционным инструментом в нейробиологии, но существуют ограничения на то, что можно сделать с помощью существующих методов — отчасти из-за их зависимости от света в видимом спектре», — сказал Хонг. «Мозг совершенно непрозрачен для видимого света, поэтому для того, чтобы доставить свет к клеткам, которые вы хотите стимулировать, обычно требуются оптические имплантаты, которые могут вызвать повреждение тканей, и вмонтированные в череп волоконно-оптические привязи, которые затрудняют изучение многих видов естественного поведения".
Думая как материаловед о способах преодоления этих проблем, Хонг признал, что биологические ткани, включая мозг и даже череп, по существу прозрачны для инфракрасного света, что позволяет доставлять свет намного глубже в мозг.
Поскольку существующие оптогенетические инструменты не реагируют на инфракрасный свет, команда Хонга обратилась к молекуле, которая эволюционировала для обнаружения другой формы инфракрасного излучения: тепла. Искусственно оснастив определенные нейроны в мозге мыши термочувствительной молекулой под названием TRPV1, его команда обнаружила, что можно стимулировать модифицированные клетки, пропуская инфракрасный свет через череп и скальп с расстояния до метра.
TRPV1 — это молекулярный датчик тепла, который позволяет нам чувствовать боль, связанную с жарой, а также острый ожог перца чили, открытие которого привело к Нобелевской премии по медицине 2021 года. Подобный рецептор дает гремучим змеям и другим гадюкам «тепловое зрение», которое позволяет им охотиться на теплокровную добычу в темноте, а недавнее исследование дало мышам способность видеть в инфракрасном спектре путем добавления TRPV1 к их клеткам колбочек сетчатки.
Новый метод также основан на сконструированной молекуле «преобразователя», которую можно вводить в целевые области мозга для поглощения и усиления инфракрасного света, проникающего через ткань мозга. Эти наночастицы, получившие название MINDS ( «макромолекулярные инфракрасные нано-преобразователи для глубокой стимуляции мозга»), работают примерно так же, как меланин в нашей коже, который поглощает вредные ультрафиолетовые лучи солнца, и создаются из биоразлагаемых полимеров, используемых для производства органических веществ.
«Сначала мы попытались стимулировать клетки только каналами TRPV1, и это вообще не сработало», — сказал Хонг. «Оказывается, у гремучих змей есть гораздо более чувствительный способ обнаружения инфракрасных сигналов, что мы могли бы сделать и в мозгу мыши. К счастью, у нас были знания о материалах, чтобы помочь нам».
Команда Хонга впервые продемонстрировала свою технику, добавив каналы TRPV1 к нейронам на одной стороне моторной коры мыши — области, которая управляет движениями тела — и введя молекулы MINDS в ту же область. Сначала мыши исследовали свои вольеры случайным образом, но когда исследователи включили инфракрасный свет над вольером, мыши сразу же начали ходить кругами, движимые односторонней стимуляцией их моторной коры.
«Это был великий момент, когда мы узнали, что оно работает», — сказал Хонг. «Конечно, это было только началом проверки и тестирования возможностей этой технологии, но с этого момента я был уверен, что у нас что-то есть».
В другом ключевом эксперименте исследователи показали, что MINDS может обеспечивать инфракрасную стимуляцию нейронов по всей глубине мозга мыши. Они вставили каналы TRPV1 в экспрессирующие дофамин нейроны центров вознаграждения мозга, которые расположены у основания мозга у мышей, с последующей инъекцией MINDS в ту же область. Затем они направили сфокусированный инфракрасный свет на одно из трех ответвлений стандартного лабиринта с радиальными рукавами и показали, что мыши «пристрастились» к невидимому инфракрасному свету, щекочащему их дофаминовые нейроны, проводя почти все свое время в лабиринте под его лучами.
Этот эксперимент продемонстрировал, что новая техника позволяет стимулировать нейроны в любом месте мозга через неповрежденный скальп и череп — почти без рассеивания света, которое сделало бы это невозможным при свете в видимом спектре. Примечательно, что это работало, даже когда луч инфракрасного света располагался на высоте метра над головами животных.
Хонг видит возможное применение этой техники для изучения мозговых цепей, участвующих в естественном социальном поведении у мышей, чтобы лучше понять системы, лежащие в основе социального познания у людей.
«Как и мы, мыши — это социальный вид, но изучение естественного поведения животного в социальной группе с помощью оптоволоконной привязки, закрепленной на голове, представляет собой сложную задачу», — сказал Хонг. «Этот подход впервые позволяет модулировать определенные нейроны и цепи у свободно ведущих себя животных. Можно просто направить невидимый инфракрасный свет на вольер с мышами, живущими вместе, чтобы изучить вклад конкретных клеток и цепей в поведение животного в социальной среде".
Хонг и его сотрудники продолжают совершенствовать технику, чтобы сделать ее проще и легче в реализации. «В будущем мы хотели бы объединить наш нынешний двухэтапный подход в единую молекулярную машину — возможно, путем кодирования некоторого поглощающего инфракрасное излучение пигмента в самих нейронах, экспрессирующих TRP».
Эта работа является одним из нескольких подходов, в которых участвует Хонг, чтобы позволить исследователям — а, возможно, однажды и клиницистам — неинвазивно модулировать нейронные цепи в мозге. Например, Хонг и его коллеги также разрабатывают наноскопические шарики, которые могут преобразовывать сфокусированные лучи ультразвука в свет и которые можно вводить непосредственно в кровоток, что позволяет оптогенетически нацеливаться на клетки в любом месте мозга и изменять это нацеливание по желанию в пределах одного эксперимента.
«Обычные подходы к нейромодуляции дали нам возможность переключать несколько тумблеров в мозге одновременно, чтобы увидеть, что делают разные цепи», — сказал Хонг. «Наша цель — продвинуть эти методы на шаг вперед, чтобы дать нам точный контроль над всем "распределительным щитом" одновременно».
____________________________________________________________________________________
Ставьте лайки и подписывайтесь, чтобы не пропустить новые публикации!
Подробнее с нашей продукцией можете ознакомиться на ГЕТ.РФ
Так же подписывайтесь на нашу группу Вконтакте, мы там тоже публикуем много интересного!
____________________________________________________________________________________