Ученые из России приспособили "термовизор" змей для управления мозгом мышей
Биохимики из России создали новую методику "включения" и "выключения" нервных клеток, которая позволяет управлять отдельными нейронами в мозге и других частях тела, используя гены змей, "видящих" тепло, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
"Ученых давно интересовал вопрос о том, как можно точечно управлять нейронами. Осуществить идею 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", - рассказывает Юлия Ермакова из Института биоорганической химии РАН в Москве.
Эта технология сегодня широко используется в экспериментах на животных, в рамках которых ученые изучают функции разных цепочек нервных клеток, отделов мозга и отдельных нервных клеток. Эти опыты помогают нейрофизиологам и врачам искать новые способы лечения эпилепсии, потери памяти и других расстройств, связанных со сбоями в "общении" нейронов и отделов мозга друг с другом.
Как рассказывает Всеволод Белоусов, руководитель исследования из ИБХ РАН, главной проблемой оптогенетики является сам свет. Частицы видимого света крайне плохо проходят через ткани живого тела, из-за чего ученым приходится вживлять световоды в мозг животных, что мешает изучению самых глубоких слоев нервных клеток внутри него, и наблюдениям за работой мозга рыб и прочих морских существ. Кроме того, многие животные видят синие импульсы лазера, применяемые для облучения их клеток, и пугаются их, что также мешает опытам.
Российским ученым удалось развить эту идею до ее логического конца, создав новую версию оптогенетики, которая работает не с видимым, а с инфракрасным светом, используя гены, которые змеи используют для работы своего "тепловизора". Пресмыкающиеся используют их для того, чтобы "видеть" источники тепла, в том числе и мышей и других потенциальных жертв, преобразуя инфракрасное излучение в импульсы нейронов.
Белоусов и его коллеги задумались, можно ли научить нервные клетки в мозге мышей и других животных делать то же самое, пересадив гены змей в их ДНК. Они проверили эту идею, вставив ген TRPA1, отвечающий за эту роль в геноме премыскающихся, в ДНК нейронов, которые они выращивали в пробирке.
Для реализации этой затеи биологам пришлось обратиться за помощью к физикам из МГУ, создавшим для них специальный сверхчувствительный термометр, способный замерять температуру на уровне одиночных клеток. Это было необходимо для того, чтобы не дать облучаемой клетке в прямом смысле "свариться" при ее "включении" при помощи лазера.
Подобная операция, как показали опыты на этих клетках, заставила клетки очень чутко реагировать на источники тепла - они начинают испускать импульсы буквально через миллисекунды после их облучения инфракрасным лазером. Это позволяет использовать подобную методику стимуляции мозга для наблюдений за достаточно сложными и быстрыми процессами внутри него.
Реализовав эту идею на практике, Белоусов и его коллеги проверили ее в экспериментах на реальных животных, встроив TRPA1 в часть нейронов обычных аквариумных рыбок данио-рерио, отвечающих за распознавание касаний. После этого ученые подсвечивали тело рыб лазером и следили за их реакцией.
Как показали эти опыты, рыбы, в чьи нейроны были встроены "змеиные" гены, "ощущали" незримые касания лазером и пытались сбежать от невидимого врага. Рыбы с отсутствующим TRPA1 так себя не вели, что подтвердило работоспособность этой методики, которую Белоусов и его команда назвали "термогенетикой" по аналогии с оптогенетикой.
