Изследователи в Съединените щати са разработили нов метод за контролиране на мозъчните вериги, свързани със сложното поведение на животните, като използват генно инженерство за създаване на магнетизиран протеин, който активира специфични групи нервни клетки от разстояние.
Разбирането на това как мозъкът генерира поведение е една от крайните цели на невронауката - и един от най-трудните й въпроси. През последните години изследователите разработиха редица методи, които им позволяват да управляват дистанционно определени групи неврони и да изследват работата на невронните вериги.
Най-мощният от тях е метод, наречен оптогенетика, който позволява на изследователите да включват или изключват популации от свързани неврони в рамките на милисекунда по милисекунда с импулси от лазерна светлина.
Друг наскоро разработен метод, наречен хемогенетика, използва конструирани протеини, които се активират от дизайнерски лекарства и могат да бъдат насочени към специфични типове клетки.
Макар и мощни, и двата метода имат недостатъци. Оптогенетиката е инвазивна, изисквайки вмъкване на оптични влакна, които доставят светлинните импулси в мозъка и освен това степента, до която светлината прониква в плътната мозъчна тъкан, е силно ограничена. Хемогенетичните подходи преодоляват и двете ограничения, но обикновено предизвикват биохимични реакции, които отнемат няколко секунди, за да активират нервните клетки.
Новата техника, разработена в лабораторията на Али Гюлер във Вирджинския университет в Шарлотсвил и описана в предварителна онлайн публикация в списание Nature Neuroscience, е не само неинвазивна, но също така може да активира невроните бързо и обратимо.
Няколко по-ранни проучвания показват, че протеините на нервните клетки, които се активират от топлина и механично налягане, могат да бъдат генетично конструирани, така че да станат чувствителни към радиовълни и магнитни полета, като ги прикрепят към протеин, съхраняващ желязо, наречен феритин, или към неорганични парамагнитни частици.
Тези методи представляват важен напредък – те например вече са били използвани за регулиране на нивата на кръвната захар при мишки – но включват множество компоненти, които трябва да се въвеждат отделно.
Новата техника се основава на тази по-ранна работа и се базира на протеин, наречен TRPV4, който е чувствителен както към температурата, така и към силите на разтягане.
Тези стимули отварят централната му пора, позволявайки на електрическия ток да тече през клетъчната мембрана; това предизвиква нервни импулси, които преминават в гръбначния мозък и след това до мозъка.
Гюлер и колегите му разсъждават, че силите на магнитен въртящ момент (или въртящи се) могат да активират TRPV4 чрез издърпване на централната му пора и така те използват генно инженерство, за да слеят протеина с парамагнитната област на феритина, заедно с къси ДНК последователности, които сигнализират на клетките за транспортиране на протеини към мембраната на нервната клетка, вмъквайки ги в нея.
Когато въвеждат тази генетична конструкция в човешки ембрионални бъбречни клетки, растящи в петриеви блюда, клетките синтезирали протеина „Магнето“ и го вмъкнали в своята мембрана.
Прилагането на магнитно поле е активирало конструирания протеин TRPV1, както се вижда от преходни увеличения на концентрацията на калциеви йони в клетките, които бяха открити с флуоресцентен микроскоп.
След това изследователите са вмъкнали магнитната ДНК последователност в генома на вируса, заедно с гена, кодиращ зелен флуоресцентен протеин, и регулаторните ДНК последователности, които карат конструкцията да се експресира само в определени типове неврони.
След това те инжектират вируса в мозъците на мишките, насочвайки се към енториналната кора и дисектират мозъците на животните, за да идентифицират клетките, които излъчват зелена флуоресценция. Използвайки микроелектроди, те показали, че прилагането на магнитно поле към мозъчните резени активира Магнето, така че клетките да произвеждат нервни импулси.
За да определят дали Магнето може да се използва за манипулиране на невронната активност при живи животни, те инжектират протеина в ларвите на зебро-риба, насочвайки се към неврони в задницата и опашката, които обикновено контролират реакцията на бягство.
След това те поставят ларвите на зебро-рибата в специално построен магнетизиран аквариум и откриват, че излагането на магнитно поле предизвиква маневри на навиване, подобни на тези, които се случват по време на реакцията на бягство. (Този експеримент включваше общо девет ларви на зебро-риба и последващите анализи са разкрили, че всяка ларва съдържа около 5 неврона, експресиращи Магнето.)
В един последен експеримент изследователите инжектират Магнето в стриатума на свободно държащи се мишки, дълбока мозъчна структура, съдържаща неврони, произвеждащи допамин, които участват в възнаграждението и мотивацията, и след това поставят животните в апарат, разделен на намагнетизирани и немагнетизирани участъци.
Мишките, експресиращи Магнето, прекарват много повече време в намагнетизираните зони, отколкото мишките, които не го правят, тъй като активирането на протеина кара стриаталните неврони, които го експресират, да освободят допамин, така че мишките намиращи, че са в тези области, да се чувстват възнаграждаващо.
Това показва, че Магнето може дистанционно да контролира изстрелването на неврони дълбоко в мозъка, както и да контролира сложното поведение.
Неврологът Стив Рамирес от Харвардския университет, който използва оптогенетика за манипулиране на спомените в мозъците на мишки, казва, че изследването е „страшно“.
„Предишните опити [използване на магнити за контролиране на невроналната активност] изискваха множество компоненти, за да работи системата – инжектиране на магнитни частици, инжектиране на вирус, който изразява топлочувствителен канал, [или] фиксиране на главата на животното, така че намотка да може да предизвика промени в магнетизма", обяснява той.
„Проблемът с наличието на многокомпонентна система е, че има толкова много място за разграждането на всяко отделно парче", продължава ученият.
„Тази система е единичен, елегантен вирус, който може да се инжектира навсякъде в мозъка, което прави технически по-лесно и по-малко вероятно движещите се звънци и свирки да се разпадат“, добавя той.
„Тяхното поведенческо оборудване е умело проектирано да съдържа магнити където е подходящо, така че животните да могат да се движат свободно", казва ученият.
Поради това „магнитогенетиката“ е важно допълнение към кутията с инструменти на невролозите, която несъмнено ще бъде разработена допълнително и ще предостави на изследователите нови начини за изучаване на развитието и функцията на мозъка.
Превод: СМ
