23.05.2017

Управлять нейронной сетью можно с помощью инфракрасного излучения

Сотрудники Института биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН совместно с коллегами из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и Московского государственного университета разработали метод стимуляции нервных клеток инфракрасным излучением.

Для этого они встроили в нейроны мышей змеиные белки, реагирующих на температуру – терморецепторы. Опубликованные в журнале Nature Communications результаты помогут без вживления в организм стимулировать нейронные сети в глубоких слоях тканей, а также управлять активностью других типов клеток в живых системах. В будущем это может помочь в терапии различных заболеваний нервной системы. Кратко о результатах работы сообщается в пресс-релизе ИБХ РАН.

«Ученых давно интересовал вопрос о том, как можно «точечно» управлять нейронами, – рассказывает Юлия Ермакова, сотрудница Лаборатории молекулярных технологий ИБХ РАН, первый автор статьи. – В 1979 году Френсис Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК, 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. Электроды и лекарства с этим не справлялись – слишком грубые и неточные инструменты. Крик считал, что для этих целей подойдет свет. Осуществить идею ученого удалось лишь в 2005 году, когда группа исследователей из Стэнфордского университета под руководством Карла Диссерота смогла изменить нейроны генно-инженерными способами и возбудить нервные клетки, облучив их светом. Этот метод назвали оптогенетикой – сочетание оптики и генетики».

Нейроны приобретают чувствительность к свету благодаря искусственно помещенным в них белкам-рецепторам, в природе они 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, причем гораздо глубже, по сравнению с видимым светом, проникающим в ткани.

Авторы нынешнего исследования 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. Регистрировали их активацию, измеряя поток проходящих через оболочку клетки ионов – главных участников передачи сигналов в клетке.

«Так мы установили, что активация термочувствительных каналов TRPA1 происходит в течение первых миллисекунд после подачи лазерного импульса, – объясняет Юлия. – 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 оболочку клетки змеиные терморецепторы TRPA1, а из контрольной – только флуоресцентную («светящуюся») метку. После этого исследователи повышали 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 1-2 градуса. Недостаточный нагрев не способен активировать нейроны. Избыточный приведет к перегреву и гибели нейронов. Поэтому коллектив из МГУ под руководством Алексея Желтикова разработал метод локальной детекции температуры с помощью квантовых эффектов в микрочастицах алмазов, у которых были специальные дефекты кристаллической решетки. Такой алмаз, помещенный на кончик оптоволокна, способен измерять температуру нагреваемого образца с высокой точностью.

«Метод термогенетики открывает широкие перспективы для его использования в науке и для дальнейших разработок, – говорит Всеволод Белоусов, руководитель исследования, заведующий Лабораторией молекулярных технологий ИБХ РАН. – 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 синий 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».

Оптогенетика делает первые шаги в этой области, теперь к ней присоединится и термогенетика, выведенная этой работой на новый уровень.

Источники:

1. polit.ru