Оптогенетика без имплантатов сводит к минимуму повреждение головного мозга при стимуляции нейронов

Исследователи сообщают, что 29 апреля в журнале Neuron минимально инвазивная методика оптогенеза, не требующая мозговых имплантатов, успешно манипулирует активностью нейронов у мышей и обезьян . Исследователи впервые разработали генетически сконструированные нейроны для получения недавно разработанного, чрезвычайно чувствительного к свету белка под названием ДУША. Затем они продемонстрировали, что возможно пролить свет через череп, чтобы изменить нейронные ответы по всему мозгу мыши, и через толстую мембрану, называемую твердой мозговой оболочкой, чтобы достичь поверхностных областей мозга макака.

«Этот новый инструмент позволит нейробиологам применять оптогенетику в экспериментах на животных, при этом гарантируя, что исследуемый мозг будет минимально поврежден во время экспериментов», – говорит со-старший автор исследования Гопин Фэн из Массачусетского технологического института (MIT). «В частности, модели обезьян имеют решающее значение для нашего понимания высокой когнитивной функции и ее дисфункции при расстройствах головного мозга, таких как шизофрения и болезнь Альцгеймера, и для разработки методов лечения этих разрушительных расстройств головного мозга ».

Оптогенетика – это метод, который включает в себя использование света для активации или деактивации нейронов, которые генетически модифицированы для производства чувствительных к свету белков, называемых опсинами. Этот подход позволил нейробиологам изучить причинную роль различных типов нейронов в различных поведенческих и когнитивных процессах. Но одним из основных недостатков является то, что этот метод обычно требует имплантации оптических волокон, которые могут вызвать повреждение головного мозга и воспаление и увеличить риск инфекции.

«До нашего исследования несколько исследований по-разному способствовали разработке методов оптогенетической стимуляции, которые были бы минимально инвазивными для мозга», – говорит соавтор исследования Роберт Десимон из MIT. «Тем не менее, все эти исследования имели различные ограничения в степени областей мозга, которые они могли активировать. Одна из главных новинок нашего исследования заключается в том, что это первый способ продемонстрировать метод активации любой области мозга мыши независимо от ее местоположения светом извне череп.”

В новом исследовании исследователи использовали светочувствительный белок SOUL для манипулирования активностью нейронов в латеральном гипоталамусе – одной из самых глубоких областей мозга мыши. Они сделали это, пропуская свет через оптическое волокно, расположенное над неповрежденным черепом. Чтобы подтвердить, что подход работал, они также контролировали нейронные ответы в той области мозга, используя электрофизиологические записи.

Доставка синего света стимулировала нейроны и нарушала пищевое поведение, которое контролируется боковым гипоталамусом. Кроме того, оранжевый свет дезактивировал нейроны и восстановил нормальное потребление пищи. Дальнейший анализ подтвердил, что этот подход не вызывает воспаление или повреждение мозга.

Исследователям пришлось модифицировать свою технику у макак, у которых черепа гораздо толще, чем у мышей. Они доставляли свет через оптическое волокно, расположенное вне твердой мозговой оболочки – толстую мембрану из плотной ткани, которая окружает мозг. Эти эксперименты показали, что ДУША может использоваться на обезьянах для изменения нейрональных реакций в коре – наружном слое нервной ткани мозга. По мнению авторов, ни одно предварительное исследование не продемонстрировало оптогенетический метод с такой минимальной инвазивностью у макак.

Удивительно, но техника была способна вызывать и нарушать локальные колебания потенциала поля – ритмичную синхронизированную электрическую активность нейронов . До сих пор было очень трудно манипулировать колебаниями, чтобы изучить их причинную роль в функциях мозга.

«Считается, что эти колебания очень важны для многих функций мозга, включая память, внимание, сон и принятие решений», – говорит соавтор Диего Мендоса-Хэллидея из MIT. «Было интересно обнаружить, что наш новый опсин можно использовать как метод для включения и выключения этих мозговых волн по желанию, поскольку это позволит нам лучше изучить роль этих волн в множественных функциях мозга».

Двигаясь вперед, основанная на ДУШЕ оптогенетика открывает много новых направлений исследований. Например, этот подход может пролить свет на раннее развитие мозга, которое особенно подвержено серьезным повреждениям тканей, вызванным длительными имплантами оптического волокна. Благодаря своей превосходной световой чувствительности, SOUL может быть использовано для управления нейронных реакций в более масштабных нейронных цепях , участвующих в различных функциях мозга. Кроме того, ДУША остается активной в течение более 30 минут, что позволяет ученым изучать долговременное поведение свободно движущихся животных, не ограниченных оптическими волокнами.

Со своей стороны, исследователи будут работать над улучшением чувствительности ДУШИ, чтобы они могли манипулировать нейронной активностью через толстые черепа крупных животных, чтобы достичь более глубоких областей мозга. В дополнение к выявлению причин неврологических и психических расстройств у животных, этот подход мог бы однажды использоваться для лечения этих расстройств у людей.

Хотя эта методика снижает инвазивность и повреждение головного мозга, связанные с оптогенетикой, она все еще далека от клинического перевода. «Прежде чем оптогенетику можно считать возможным вариантом лечения, необходимо тщательно оценить потенциальные риски такого лечения у пациентов, особенно те, которые связаны с экспрессией опсина, чужеродного белка, в мозге», – говорит Фэн.

[block id="9"]
[block id="9"]

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Adblock
detector