Лазер и микробный белок вживили зрительные образы в мозг мышей
Американские нейробиологи научились контролировать активность отдельных нейронов первичной зрительной коры мыши, сообщается в Science. Оптогенетически стимулируя несколько десятков ее клеток одновременно, они вызывали у грызунов те же реакции, что и при просмотре определенных рисунков. Можно сказать, что искусственная активация нейронов зрительной коры грызунов внедрила в их мозг галлюцинации.
В середине двухтысячных годов Карл Дайссерот (Karl Deisseroth) из Стэнфордского университета и его коллеги разработали метод активации нервных клеток светом — например, излучением лазера. Чтобы нейроны реагировали на сигнал, который в норме они не получают, ученые внедрили в эти клетки ген каналородопсина-2. Этот бактериальный белок располагается в мембране клетки и при активации светом открывает в этой мембране отверстие — канал. Через него проходят ионы и направляются туда, где их концентрация меньше — либо в клетку, либо из нее. Это позволяет регулировать активность данного нейрона.
Надежно управлять отдельными идентифицированными клетками, а не их ансамблями, научились в 2012 году. Тогда сотрудники Дайссерота совместно с лабораторией Рафаэля Юсте (Rafael Yuste) из Колумбийского университета вызывали нервные импульсы или подавляли их в конкретных нейронах соматосенсорной коры больших полушарий бодрствующих животных.
Новая работа стэнфордских нейробиологов близка к статье 2012 года по сути, но сложнее в исполнении. На этот раз ученые оптогенетически активировали не разрозненные клетки, а компоненты нервных ансамблей первичной зрительной коры, которые работают в конкретной ситуации. Чтобы выявить структуру этих ансамблей, они обучали мышей лизать поилку, когда те видят на экране вертикальные черно-белые полосы, и не делать этого, когда им показывают такие же полосы, но горизонтальные.
Во время сессий обучения животных авторы записывали активность отдельных клеток их первичной зрительной коры с помощью флуоресцентных красителей, реагирующих на изменение внутриклеточной концентрации кальция. Затем паттерны этой активности задавали тем же клеткам, которые реагировали на вертикальные и горизонтальные полосы, воздействуя на них лазером в инфракрасном диапазоне. При этом использовали не обычный каналородопсин-2, а каналородопсин ChRmine, более восприимчивый к красному и инфракрасному. Его специально искали для данного исследования — проверяли геномы 600 морских организмов на наличие соответствующих генов.
Если клеткам первичной зрительной коры навязывали активность, аналогичную той, что у них была при демонстрации вертикальных полос, мыши начинали лизать трубочку поилки. Когда клетки стимулировали паттернами активности, соответствующими просмотру горизонтальных полос, грызуны переставали пить (все это время экран ничего не показывал). Интересно, что для смены поведения достаточно было активировать всего около 20 клеток из тех, что реально были задействованы при обучении.
Главный автор исследования, Карл Дайссерот, отмечает: «В мозге мыши миллионы нейронов, в мозге человека — миллиарды. Если всего 20 клеток могут создать в нем некий образ, то почему у нас так редко бывают галлюцинации из-за спонтанного «ложного срабатывания» клеток? Наша работа показывает, что кора мозга млекопитающих каким-то образом приспособилась выдавать комплексные реакции на активность удивительно малого числа клеток и при этом не вырабатывать ложных ощущений в ответ на информационный шум».
Тем не менее, нет стопроцентной уверенности в том, что в мозге мышей при оптогенетичекой стимуляции действительно возникали зрительные образы. Дело в том, что клетки зрительной коры могут реагировать не только на визуальные стимулы, но и на движения самого животного и сильно зависит от его состояния в данный момент. Одни и те же нейроны этой области дают неодинаковые ответы на одни и те же раздражители при повторной стимуляции.
Оптогенетика — сравнительно молодая методика (ей нет и 15 лет), она бурно развивается. На днях американские исследователи сообщили о разработке новой модификации метода — оптохемогенетике. Источник света, активирующего нейроны, они поместили в головной мозг экспериментальных животных, что снизило инвазивность процедуры. Стимулируя клетки в области поражения, они сумели направить рост новых нейронов и ускорить восстановление мышей после инсульта.
Светлана Ястребова
Ее произвели макрофаги в верхнем шейном нервном узле
Немецкие и американские исследователи пришли к выводу, что расстройства сна при хронических заболеваниях сердца связаны с нарушением симпатической иннервации шишковидного тела, вырабатывающей мелатонин, связанными с сердцем провоспалительными иммунными клетками. Публикация об этом появилась в журнале Science. У людей и других млекопитающих смену периодов сна и бодрствования контролирует секреция мелатонина, синхронизированная с 24-часовым циклом смены дня и ночи на Земле. Этот гормон вырабатывает шишковидное тело (эпифиз), расположенное в надталамической области головного мозга, в ответ на уровень симпатической иннервации из верхнего шейного узла. Помимо эпифиза и некоторых других органов этот узел иннервирует и сердце. Известно, что при хронических сердечных заболеваниях зачастую снижается уровень мелатонина и возникают сопутствующие нарушения сна, которые негативно сказываются на течении болезни и качестве жизни пациента. Механизмы этого явления изучены не были, при этом они могли бы дать почву для разработки новых методов лечения. Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники различных научных центров Германии и США под руководством Штефана Энгельхардта (Stefan Engelhardt) из Мюнхенского технологического института изучили посмертные препараты эпифизов семи человек с кардиологическими заболеваниями и девяти без них. Оказалось, что при болезнях сердца значительно снижена плотность аксонов (то есть иннервация) в этой железе. Выяснив это, авторы работы перешли к экспериментам на мышах с двумя искусственно вызванными заболеваниями сердца: перегрузкой левого желудочка давлением путем хирургического сужения аорты и сердечной недостаточностью с сохранной фракцией выброса. Уровень мелатонина у таких животных был снижен, что сопровождалось нарушениями циркадианных ритмов. Генетическая маркировка помогла выявить у них резкое снижение симпатической иннервации эпифиза без нарушения его внутренней структуры и анатомического окружения. Морфометрическое и гистологическое исследование верхнего шейного узла продемонстрировало его значительную гипертрофию с замещением фиброзной соединительной тканью, что свидетельствует о тяжелом, возможно необратимом повреждении органа. Аналогичные изменения исследователи увидели на посмертных препаратах верхних шейных узлов кардиологических пациентов — рубцовая ткань замещала до 70 процентов их объема. При этом степень поражения узла значительно коррелировала со степенью ремоделирования миокарда в результате заболевания. Это подтвердили у живых пациентов с помощью УЗИ, а также обнаружили у них связь размеров верхнего шейного узла с фракцией выброса (функциональным показателем сердечной деятельности). После этого авторы работы выполнили секвенирование РНК одиночных клеток и ядер верхнего шейного узла мышей с кардиологическими заболеваниями, а также иммуногистохимическое окрашивание разных пулов его клеток и нервных связей с эпифизом. Выяснилось, что симпатическая иннервация железы значительно снижалась еще до декомпенсации сердечной недостаточности, и что при этом узел инфильтрирован провоспалительными макрофагами. В нервных узлах, не иннервирующих сердце, подобной инфильтрации не наблюдалось, уровни биомаркеров общего воспаления повышены не были, что свидетельствует о связи этих макрофагов именно с заболеванием сердца. Схожую картину удалось пронаблюдать и в посмертных образцах кардиологических пациентов. Транскриптомное профилирование межклеточных взаимодействий в верхнем шейном узле мышей на ранних стадиях болезни сердца показало, что сильнее всего нарушены связи между макрофагами и симпатическими нейронами, иннервирующими шишковидное тело. Еженедельные инъекции ингибитора макрофагов клодроната в этот узел сразу после операции по сужению аорты предотвращали денервацию железы и снижение уровня мелатонина. Эксперименты по совместному выращиванию клеток на питательной среде, подтвердили, что центральную роль в гибели симпатических нейронов играют активированные провоспалительные макрофаги. В 2020 году французские ученые обнаружили, что если люди засыпают позже привычного времени, то во время сна и на следующий день пульс у них значительно превышает норму. То же происходит и при засыпании на более чем полчаса раньше обычного, однако пульс при этом возвращается к норме уже через несколько часов сна. Годом позже британские исследователи показали, что с наименьшим риском сердечно-сосудистых заболеваний связан отход ко сну между 22 и 23 часами.