Российские биологи научились включать нейроны теплом

Научный коллектив под руководством Всеволода Белоусова из Института биоорганической химии РАН создал технологию, позволяющую возбуждать отдельные нейроны в мозге животного при помощи инфракрасного излучения. Для этого клетки заставили синтезировать специальные термочувствительные белки (ионные каналы змей), которые впоследствии активировали инфракрасным лазером. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

В последние годы в распоряжении нейробиологов оказался мощный инструмент, позволяющий выборочно активировать группы нейронов прямо в мозге живого животного при помощи света, — оптогенетика. С использованием инструментария оптогенетики оказалось возможно даже управлять памятью мышей, стирая воспоминания и внедряя ложные (прочитать об этом можно здесь). Однако при всей своей революционности этот метод обладает и рядом серьезных недостатков. Главным из них является тот факт, что активатором возбуждения нейронов является видимый свет. Он обладает малой проницаемостью сквозь ткани, поэтому животным приходится имплантировать в мозг оптоволокно. Кроме того, свет активирует не только нужные нейроны, но и собственные зрительные рецепторы, что может привести к нежелательным последствиям.

Альтернативой светового контроля работы нейронов стали термочувствительные ионные каналы из семейства TRP. Эти белки при определенной температуре начинают пропускать ионы через клеточную мембрану, что приводит к активации нейрона, в котором они экспрессируются. Попытки управлять возбуждением нейронов животных при помощи активации TRP-каналов уже предпринимались, однако подходящего метода «включения» канала пока не появилось.

Исследователи из ИБХ РАН совместно с коллегами из Института высшей нервной деятельности и физфака МГУ разработали технологию, позволяющую эффективно возбуждать единичные нейроны при помощи лазера, излучающего в инфракрасном диапазоне (около 1400 нанометров). Помимо использования лазера, ученые также придумали работать не с собственными TRP-каналами животного, как делали ранее, а с белком TRPA1 змей, который обладает повышенной чувствительностью к нагреванию и проводимостью.

Для начала технология была отработана на культуре клеток млекопитающих, экспрессирующих два разных белка TRPA1 из разных видов змей. При помощи термодатчика с алмазным сенсором, позволяющего с высокой точностью измерить изменение температуры возле отдельной клетки, исследователи определили температуру активации для этих белков. Один из них, более «теплый», с температурой активации около 38 градусов, проверили в культуре нейронов мыши, а второй, более «холодный», ввели в зародыш рыбки Danio rerio. Прицельно направляя луч лазера на соматосенсорные нейроны рыбки, ответственные за чувствительность к прикосновению, ученые вызвали у животного «реакцию избегания» в виде мышечного сокращения (проще говоря, в ответ на нагрев рыбка дергала хвостом). Для активации нейронов требовалось увеличить их температуру всего на 1–3 градуса. Такое мягкое нагревание не приводит к развитию какого-либо токсичного эффекта, связанного с перегревом тканей. 

Авторы работы предполагают, что для работы с теплокровными животными, такими как мыши, придется подыскать новый вариант TRPA1, с температурой активации около 40 градусов Цельсия. Однако разработанная технология, которая, по аналогии с оптогенетикой, получила название термогенетика, несомненно уже представляет большую ценность для нейробиологов, позволяя удобно и неинвазивно манипулировать мозгами холоднокровных модельных животных, таких как рыбки, дрозофилы и нематоды.

Дарья Спасская