Неинвазивная оптогенетика
Наночастицы в мозге превратили тепло в свет и заставили мышей бояться
Дарья Спасская, N+1
Исследователи, работающие в области оптогенетики, научились неинвазивно активировать нейроны, способные возбуждаться под действием света. Вместо оптоволокна, которое нужно вводить в мозг через отверстие в черепе, модельным животным вкалывали наночастицы, способные превращать инфракрасное излучение в излучение синего спектра, возбуждающее модифицированные нейроны. Управлять активностью нейронов и стимулировать глубокие отделы мозга, таким образом, теперь можно прямо через ткани при помощи инфракрасного лазера. Исследование опубликовано в Science (Chen et al., Near-infrared deep brain stimulation via upconversion nanoparticle–mediated optogenetics).
Оптогенетика позволяет направленно управлять активностью отдельных групп нейронов, экспрессирующих каналородопсин (ChR). Этот белок начинает пропускать ток под действием синего света и вызывает деполяризацию мембраны нейрона. Так как биологические ткани не пропускают свет видимого спектра, для управления нейронами в мозг модельным животным (чаще всего мышам) приходится вводить оптоволокно.
Ученые из японского института исследования мозга RIKEN в сотрудничестве с коллегами из Национальных университетов Токио и Сингапура предложили альтернативный способ активации нейронов при помощи ультраконверсионных наночастиц. Эти наночастицы, содержащие ионы металлов из ряда лантаноидов, конвертируют несколько фотонов с большой длиной волны в один фотон с более высокой энергией, и соответственно, меньшей длиной волны. Такие наночастицы дают возможность использовать для стимуляции глубоких отделов мозга инфракрасное излучение, хорошо проникающее в ткани, а «на месте» превращающееся в видимый свет.
Схема процесса стимуляции (рисунки из пресс-релиза RIKEN Deep-brain exploration with nanomaterial – ВМ).
Исследователи приготовили наночастицы с металлическим ядром и покрыли их оксидом кремния, чтобы избежать токсичного эффекта, обусловленного контактом ядра с тканями. После подтверждения безопасности присутствия наночастиц в нервной ткани, мышам ввели генетическую конструкцию, кодирующую каналородопсин, в область среднего мозга, отвечающую за синтез дофамина. Затем в ту же область мозга сделали инъекцию наночастиц, после чего на эту зону воздействовали излучением ближнего инфракрасного диапазона (980 нанометров) транскраниально (сквозь череп). Контрольный оптоволоконный датчик зафиксировал в мозге излучение нужной длины волны (соответствующей синему свету), а на физиологическом уровне исследователи наблюдали активацию дофаминовых нейронов и синтез дофамина в этой зоне.
Неинвазивная активация нейронов мыши в вентральной области покрышки (VTA), центре вознаграждения мозга. Чувствительный к синему свету каналородопсин (ChR2) окрашен зеленым цветом инаходится с обеих сторон VTA, однако ультраконверсионные наночастицы (UCNP), окрашенные синим, были введены только справа. Ближний инфракрасный свет (NIR) воздействовал на обе стороны, но активировал экспрессию индуцированного активностью гена cFos (красные точки) только с той стороны, куда были введены наночастицы – ВМ.
В следующих экспериментах при помощи наночастиц исследователи успешно синхронизировали активность нейронов в гиппокампе спящих животных и «заставили» их генерировать тета-ритм. Ученым также удалось воспроизвести более впечатляющий эксперимент на бодрствующих мышах, ранее реализованный при помощи «классической» оптогенетики. Помещая мышей в клетку, в которой их било током, ученые записали «схему» активации нейронов гиппокампа, вовлеченных в формирование плохого воспоминания и связанной с ним реакции – страха. При помощи выборочной активации этих нейронов инфракрасным излучением ученые вызывали у мышей страх даже в безопасном месте. Конверсионные наночастицы ранее использовались для активации нейронов в клеточной культуре и на рыбках Danio rerio. Однако на млекопитающих успешность неинвазивного подхода и возможность с его помощью даже управлять поведением животных удалось показать впервые. Теоретически неинвазивная активация отделов мозга может быть использована и на людях – к примеру, глубокая стимуляция при помощи электродов в настоящее время рассматривается как перспективное средство терапии болезни Паркинсона и большого депрессивного расстройства. Главным препятствием для введения этого метода в клинику является необходимость генетической модификации нейронов, так что пока оптогенетика во всех ее формах является уделом лабораторных животных.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru