Биологи научились управлять нейронной сетью с помощью инфракрасного излучения
Сотрудники Института биоорганической химии РАН совместно с коллегами из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и МГУ разработали метод, с помощью которого можно стимулировать нервные клетки инфракрасным излучением, встраивая в нейроны белки-терморецепторы змей. Опубликованные в журнале Nature Communications результаты помогут неинвазивно стимулировать нейронные сети в глубоких слоях тканей, а также управлять активностью других типов клеток в живых системах. Подробнее о своем открытии рассказал в интервью Indicator.Ru ведущий автор работы, профессор РАН Всеволод Белоусов.
Ученых давно интересовал вопрос о том, как можно точечно управлять нейронами. В частности, в 1979 году Френсис Крик, открывший структуру ДНК вместе с Джеймсом Уотсоном, высказал предположение, что главным вызовом в нейробиологии является создание методов, которые позволяли бы стимулировать определенный тип нервных клеток, в то время как другие клетки оставались бы нечувствительными к стимулу. Практическое осуществление его идея получила лишь в 2005 году, когда группа исследователей из Стэнфордского университета под руководством Карла Диссерота смогла возбудить нервные клетки с помощью облучения светом. Этот метод назвали оптогенетикой (сочетание оптики и генетики).
Нейроны приобретают чувствительность к свету благодаря искусственно помещенным в них белкам-рецепторам, которые в природе помогают живым организмам ориентироваться в окружающей среде. В зависимости от видов физического воздействия рецепторы делятся на различные классы. Так, световые сигналы воспринимаются родопсинами и фототропинами, а температурные колебания — терморецепторами семейства TRP (Transient receptor potential). Именно с их помощью мы чувствуем горячие или холодные объекты, а также вкус острой пищи или ментоловый «холодок». Терморецепторы легли в основу метода термогенетики, также позволяющего точечно воздействовать на нейроны длинноволновым инфракрасным излучением, гораздо глубже по сравнению с видимым светом, проникающим в ткани. Кроме того, инфракрасное излучение способно эффективно и локально прогревать ткань на заданную температуру.
В своем исследовании ученые из Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова использовали в качестве белков-рецепторов терморецепторы змей TRPA1, которые отвечают за термозрение — способность некоторых змей «видеть» теплые объекты на расстоянии. Это помогает животным ориентироваться в пространстве и охотиться в темноте.
Первая часть экспериментов проводилась на культуре клеток-нейронов мышей. Из оптоволоконной лазерной установки на нейроны подавали инфракрасный свет и регистрировали их активацию, измеряя поток ионов через мембрану.
«Так мы установили, что активация термочувствительных каналов TRPA1 происходит в течение первых миллисекунд после подачи лазерного импульса, — объясняет Юлия Ермакова, сотрудница лаборатории молекулярных технологий ИБХ РАН. — Это позволяет применять термогенетику для быстрой стимуляции нейронов и воспроизводить сложные комбинации различных импульсов со скоростью до 50 импульсов в секунду».
Чтобы подтвердить, что термогенетика может применяться для стимуляции поведенческих реакций в живом организме (in vivo), исследователи провели эксперимент на рыбках Данио (Danio rerio), которых разделили на две группы. Рыбки из экспериментальной группы имели в определенных нейронах встроенные в мембрану клетки змеиные терморецепторы TRPA1, а из контрольной — только флуоресцентную («светящуюся») метку. После этого Юлия повышала температуру тела рыбы в определенной точке с помощью пучка инфракрасного света диаметром 60 микрометров, что чуть больше размера крупного нейрона. В ответ на это экспериментальные рыбки испытывали ложное чувство прикосновения и пытались уплыть, делая рефлекторный мах хвостом, в то время как вторая группа рыбок была совершенно не чувствительна к воздействию лазера.
Исследование включало не только биологическую, но и физическую составляющую. Для проведения термогенетической стимуляции исключительно важно нагревать живую ткань на заданную температуру, не превышающую один-два градуса. Недостаточный нагрев неспособен активировать нейроны, избыточный же приведет к перегреву и гибели нейронов. Коллектив из МГУ под руководством Алексея Желтикова разработал метод локальной детекции температуры с помощью квантовых эффектов в микрочастицах алмазов, имеющих специальные дефекты кристаллической решетки. Такой алмаз, будучи помещенным на кончик оптоволокна, способен измерять температуру нагреваемого образца с высокой точностью.
По словам руководителя исследования, заведующего лабораторией молекулярных технологий ИБХ РАН Всеволода Белоусова, метод термогенетики открывает широкие перспективы для использования и для дальнейших разработок. Во-первых, ИК-излучение глубже проникает в ткань, а значит, появится возможность стимулировать более глубокие слои мозга. Более того, для нагрева можно использовать не только инфракрасное излучение, но и фокусированные СВЧ-волны или магниты высокой мощности. Во-вторых, термогенетика имеет огромное преимущество в работе с маленькими модельными животными, такими как мальки рыб или плодовые мушки. В классических оптогенетических экспериментах они видят свет, используемый для активации нейронов, и пугаются его. ИК-излучение для них невидимо, поэтому можно не опасаться побочных реакций животного на яркий свет. В-третьих, полученный молекулярный и технический инструментарий можно использовать для активации не только нейронов, но и других клеток. Все вместе это приведет к появлению новых подходов к терапевтической стимуляции или, наоборот, подавлению функций различных клеток в организме.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.