Наночастицы в мозге превратили тепло в свет и заставили мышей бояться
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.
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 ап-конверсионных 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.
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.
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.
В прошлом году мы рассказывали, что российские биологи
активировать нейроны инфракрасным излучением с использованием вместо каналородопсина термочувствительного белка змей.
Изучать на них магниторецепцию не получится
Исследователи из Великобритании и Германии на протяжении шести лет воздействовали суммарно почти на сто тысяч дрозофил магнитным полем и выяснили, что они не меняют свое поведение под действием этого поля и в целом никак на него не реагируют. Это опровергло результаты предыдущих экспериментов, где чувствительность мух к магнитному полю была доказана, — прошлые результаты ученые посчитали ложноположительными. Работа опубликована в Nature. Некоторые животные обладают магниторецепцией — например, перелетные певчие птицы мигрируют в основном по ночам и ориентируются по магнитному полю земли. Точно не ясно, как работает их внутренний компас, но основная гипотеза такая: в сетчатке из глаз есть криптохромы — светочуствительные белки, которые реагируют на магнитное поле, а в мозге — нейроны, которые обрабатывают информацию, поступающую с магниторецепторов сетчатки. Такую же способность ученые обнаружили и у летучих мышей. По некоторым данным, магнитное поле чувствуют и плодовые мушки дрозофилы (Drosophila). Криптохромы из их сетчатки реагировали на магнитное поле в экспериментах in vitro, а в других исследованиях [1, 2, 3] под действием магнитного поля их поведение менялось. Поэтому мух иногда используют как модельный организм, чтобы изучать магниторецепцию: геном дрозофил можно редактировать, и эксперименты над ними ставить проще, чем над птицами. Марко Бассетто (Marco Bassetto) из Ольденбургского университета имени Карла фон Осецкого и его коллеги из Великобритании и Германии решили проверить, на самом ли деле дрозофилы чувствительны к магнитному полю. Они воспроизвели несколько экспериментов на гораздо большей выборке и в более контролируемых условиях. Сначала они запустили мух в Т-образный лабиринт, к одному из рукавов которого было приложено магнитное поле с индукцией около 500 микротесла. Установку разместили в электромагнитно-экранированной камере в деревянном здании — в итоге фоновые радиочастотные поля сильно ослаблялись и не должны были повлиять на эксперимент. Дрозофил тестировали группами по 100 особей; предполагалось, что наивные мухи будут избегать рукава с магнитным полем (как это было в ранних экспериментах), а если научить их ассоциировать поле с наградой в виде сахарозы, то они станут предпочитать этот рукав. Однако ничего из этого не подтвердилось: и наивные, и обученные дрозофилы выбирали оба рукава с одинаковой частотой. А вот в контрольных экспериментах мухам удалось связать награду и запах. Всего ученые провели почти 1000 тестов и протестировали таким образом 97650 мух. Затем они поместили дрозофил в вертикальные пластиковые трубки, помещенные между двойными катушками. К одной из трубок было приложено магнитное поле с индукцией 500 микротесла, а к другой — нет. В таких трубках мухи обычно поднимаются, сопротивляясь земному притяжению, — это называется отрицательным геотаксисом (личинки некоторых насекомых, напротив, стремятся вниз, к земле). В предыдущих исследованиях под действием тусклого синего цвета и магнитного поля мухи поднимались медленнее. Здесь же ученые не обнаружили никакой разницы в скорости подъема мух в зависимости от наличия магнитного поля. Однако, как и в раннем эксперименте, под действием красного цвета дрозофилы поднимались медленнее, чем под действием синего (магнитное поле все еще не влияло). Затем ученые усовершенствовали экспериментальную установку и проверили в ней магнитные поля 0,90, 220 и 300 микротесла. Однако и тогда магнитное поле не влияло на скорость подъема насекомых. В предыдущих исследованиях также сообщалось, что магниточувствительность мух проявляется под действием более коротких волн света. Авторы проверили и это, но и здесь дрозофилы никак не реагировали. Авторы заключили, что дрозофилы, судя по всему, не способны ощущать магнитные поля околоземной силы (ниже 500 микротесла). А статистический анализ показал, что результаты ранних экспериментов были, вероятнее всего, ложноположительными: на это указывают небольшие выборки и низкая статистическая мощность. Таким образом, изучать магниторецепцию лучше на ночных мигрирующих певчих птицах. А ранее исследователи из Канады и США выяснили, что нейроны птиц, реагирующие на магнитное поле, активны только во время миграции. Во время ночного отдыха их активность снижается.