Переписать воспоминания, превратить в биоробота или избавить человечество от слепоты и депрессии… Управление мозгом с помощью света порождает множество надежд и почти столько же опасений.
В полумраке клетки возится вроде бы обыкновенная крыса, занятая своими делами. Она прогуливается, принюхивается, шевеля усами, прикладывается к поилке, чистит белую шерстку… Вот только почесать макушку крысе затруднительно: позади глаз из ее черепа торчит оптоволокно, зафиксированное стоматологическим цементом. Оно испускает яркий голубой свет и соединено с проводами, которые теряются в темноте где-то наверху.
Что за странная картина? Может, перед нами кадры нового фантастического фильма? На самом деле крыса со светящимся черепом — это не плод фантазии и не какая-то вычурная декорация, а вполне себе реальность и для некоторых ученых даже повседневность.
Светофор для беспозвоночных
Место действия — одна из множества лабораторий, где проводят эксперименты с применением оптогенетики, метода, позволяющего управлять мозгом с помощью лазера или светодиода. Фантастическое сияние на голове крысы — не спецэффект: это излучение с определенной длиной волны (т. е. цветом), которое избирательно воздействует на определенную группу нейронов: может их включать, выключать или «прибавить мощность».
С помощью оптогенетики биологи уже могут влиять на импульсивность поведения животных, их внимание, эмоциональное состояние, аппетит и многое другое. Так, в одном из исследований мышей научили бояться клетки, где им никогда не причиняли вреда. Зато в ней им с помощью оптогенетики активировали те нейроны, которые «помнили» о мучениях грызунов в другой клетке.
Такие нервные клетки локализованы в гиппокампе — области мозга, связанной с памятью и ориентированием в пространстве. В результате мыши стали ассоциировать безвредную клетку с опасностью. Условно говоря, им «имплантировали» память о плохих событиях, которые никогда не случались.
Чтобы проверить, насколько устойчивы искусственные воспоминания, ученые «отшибли» мышам память с помощью химических препаратов. Затем экспериментаторы снова подействовали светом на клетки гиппокампа, и страшные воспоминания о никогда не бывшем послушно вернулись.
Если можно управлять памятью, можно ли превратить живое существо в послушного робота? Да. Правда, с крысами такое пока не проделывали — все-таки у грызунов весьма сложный мозг. Ученые превратили в автомат нематоду Caenorhabditis elegans. В природе крошечный, длиной всего в миллиметр червячок живет в почве, где питается органическими остатками, проползая через твердое и проплывая по жидкому. Этот скромный и непримечательный червь стал для биологов одним из самых важных модельных организмов.
И всё потому, что в организме C. elegans всё просто и прозрачно. Его внутренности буквально просвечивают насквозь, а клетки червя, в том числе и нервные, известны наперечет. У редко встречающихся самцов 385 нейронов, у гермафродитов (самок как таковых у них нет) — 302.
В своих работах биологи сделали крошечную нематоду настоящей марионеткой. Например, посветят на определенную группу нервных клеток зеленым лазером — червячок торопливо ползет, посветят ультрафиолетовым — тот застынет. Получается своего рода светофор.
С помощью оптогенетики несчастную нематоду можно заставить стать короче, длиннее, отложить яйца. Или, отключив ее собственные связи нервов с мышцами («лишив воли»), сделать биороботом, которым можно как угодно управлять извне.
Глаза водорослей
Первый белок, использованный в оптогенетике, был позаимствован у незамысловатого организма — хламидомонады Chlamydomonas reinhardtii. Она живет во многих озерах и прудах с «цветущей» водой. Это плавающая в толще воды микроскопическая водоросль размером всего 10 микрометров. У нее имеется глазок (стигма), отличающий свет от тьмы. Водоросль живет за счет фотосинтеза, поэтому стремится плыть на свет.
Своим «зрением» хламидомонада обязана каналородопсину — белку в ее глазке, который избирательно реагирует на голубой свет (особенно с длиной волны 480 нанометров).
Если быть точным, то в качестве «приемника» света выступает не сам каналородопсин, а связанная с ним молекула — ретиналь. Каналородопсин — один из множества белков, имеющих при себе молекулу ретиналя и потому «чувствующих» свет.
Надежды и тревоги
Оптогенетика — ровесница изучающих ее студентов. Ей всего лишь 18, с натяжкой — 20 лет. За такой короткий срок ученые научились использовать целый спектр светочувствительных белков, которые отличаются тем, какие ионы они пропускают, в каком направлении (внутрь клетки, вовне), насколько избирательно, длиной волны активирующего света и т.д.
Ключевое преимущество оптогенетики — ее избирательность. Она позволяет менять состояние строго определенной группы клеток в точно заданные моменты времени и заранее известным способом.
Такой точностью воздействия не могут похвастаться ни химические препараты, ни самые тонкие электроды. Что сегодня используют в биологии, завтра может пригодиться в медицине. Конечно, путь из научной лаборатории в клинику может быть долог и тернист. Однако новые методы терапии на основе оптогенетики уже вовсю создают.
Первые успехи получены в лечении эпилепсии — тяжелого заболевания, которое приводит к судорогам и не всегда поддается лекарственно
й терапии. Оптогенетика в этом случае — особенно удачное решение, ведь при судорогах необходимо «успокоить» конкретную группу перевозбужденных нервных клеток. Есть прогресс и в лечении шизофрении. Проведены первые успешные опыты на грызунах, у которых искусственно созданы нужные симптомы.
С помощью оптогенетики можно лечить не только болезни мозга. Так, оптогенетику давно рассматривают как перспективный способ радикального излечения слепоты. В 2021 году такая технология была успешно испытана на первом в мировой истории пациенте, получившем оптогенетическую терапию. Введение в сетчатку опсина и специальные чувствительные очки позволили ослепшему пожилому мужчине вновь различать мир вокруг себя.
Поэтому от живых светофоров, быть может, не так далеко до поиска панацеи.
Автор статьи: Софья Шехова