Amerikai kutatók új módszert dolgoztak ki az állatok összetett viselkedéséhez kapcsolódó agyi áramkörök vezérlésére: géntechnológiával olyan mágnesezett fehérjét hoztak létre, amely távolról aktiválja az idegsejtek meghatározott csoportjait.

Az idegtudomány céljai

Az idegtudomány egyik végső célja - és egyben az egyik legnehezebb kérdése - annak megértése, hogy az agy hogyan hozza létre a viselkedést. Az elmúlt években a kutatók számos olyan módszert fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy neuronok meghatározott csoportjait távolról irányítsák, és megvizsgálják a neuronális áramkörök működését.

Ezek közül a legerősebb az optogenetika nevű módszer, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy milliszekundumonkénti időskálán, lézerfény-impulzusokkal kapcsolják be vagy ki az egymáshoz kapcsolódó neuronpopulációkat. Egy másik, nemrégiben kifejlesztett módszer, az úgynevezett kemogenetika, olyan mesterséges fehérjéket használ, amelyeket dizájner drogok aktiválnak, és amelyeket célzottan meghatározott sejttípusokra lehet irányítani. Lásd a pdf-et a bejegyzés végén.

Bár mindkét módszernek van ereje, hátrányai is vannak. Az optogenetika invazív, mivel a fényimpulzusokat az agyba juttató optikai szálak behelyezését igényli, továbbá a fény behatolása a sűrű agyszövetbe erősen korlátozott. A kemogenetikai megközelítések mindkét korlátot leküzdik, de jellemzően olyan biokémiai reakciókat indukálnak, amelyeknek az idegsejtek aktiválása több másodpercig tart.

Az agyi aktivitás távvezérlése fűtött nanorészecskékkel

Az új technika, amelyet Ali Güler laboratóriumában fejlesztettek ki a charlottesville-i Virginia Egyetemen, és amelyet a Nature Neuroscience című folyóiratban megjelent előzetes online publikációban ismertettek, nemcsak nem invazív, hanem gyorsan és reverzibilisen képes aktiválni az idegsejteket. Olvassa el itt.

Genetikailag módosított sejtfehérjék

Számos korábbi tanulmány kimutatta, hogy a hő és mechanikai nyomás hatására aktiválódó idegsejtfehérjéket genetikailag úgy lehet módosítani, hogy érzékennyé váljanak a rádióhullámokra és a mágneses mezőkre, ha a ferritin nevű vastároló fehérjéhez vagy szervetlen paramágneses részecskékhez kötik őket. Ezek a módszerek fontos előrelépést jelentenek - például már használták őket egerek vércukorszintjének szabályozására -, de több olyan komponenst igényelnek, amelyeket külön-külön kell bejuttatni.




TRPV4 fehérje

Az új technika erre a korábbi munkára épül, és a TRPV4 nevű fehérjén alapul, amely érzékeny mind a hőmérsékletre, mind a feszítő erőkre. Ezek az ingerek megnyitják központi pórusát, és lehetővé teszik, hogy elektromos áram áram folyjon a sejtmembránon keresztül; ez idegi impulzusokat vált ki, amelyek a gerincvelőbe, majd az agyba jutnak.


Güler és munkatársai arra gondoltak, hogy a mágneses nyomaték (vagy forgó) erők aktiválhatják a TRPV4-et a központi pórus felfeszítésével, ezért géntechnológiával a fehérjét a ferritin paramágneses régiójához olvasztották, olyan rövid DNS-szekvenciákkal együtt, amelyek jelzik a sejteknek, hogy a fehérjéket az idegsejtek membránjához szállítják és beillesztik.

 

A zebrahalak viselkedésének in vivo manipulálása Magneto segítségével. A zebrahal-lárvák lokalizált mágneses mezőkre reagálva tekeredő viselkedést mutatnak. Wheeler és munkatársai (2016).

Amikor ezt a genetikai konstrukciót Petri-csészében növekvő emberi embrionális vesesejtekbe juttatták, a sejtek szintetizálták a "Magneto" fehérjét, és beillesztették a membránjukba. A mágneses mező alkalmazása aktiválta a módosított TRPV1 fehérjét, amit a sejteken belüli kalciumion-koncentráció átmeneti növekedése mutatott, amit fluoreszcens mikroszkóppal detektáltak.

Ezután a kutatók a Magneto DNS-szekvenciát beillesztették egy vírus genomjába, a zöld fluoreszcens fehérjét kódoló génnel és szabályozó DNS-szekvenciákkal együtt, amelyek miatt a konstrukció csak meghatározott típusú neuronokban fejeződik ki. Ezután a vírust egerek agyába injektálták, az entorhinális kéregállományt célozva, majd felboncolták az állatok agyát, hogy azonosítsák a zöld fluoreszcenciát kibocsátó sejteket. Ezután mikroelektródák segítségével kimutatták, hogy az agyszeletekre mágneses mezőt alkalmazva aktiválták a Magnetót, így a sejtek idegimpulzusokat produkáltak.

Annak megállapítására, hogy a Magneto használható-e az élő állatok neuronális aktivitásának manipulálására, Magneto-t injektáltak zebrahal-lárvákba, a törzs és a farok neuronjait célozva, amelyek normális esetben a menekülési választ irányítják. Ezután a zebrahal-lárvákat egy speciálisan kialakított, mágneses akváriumba helyezték, és megállapították, hogy a mágneses tér hatására a menekülési válasz során fellépő mozgásokhoz hasonló tekeredési manőverek indultak be. (Ebben a kísérletben összesen kilenc zebrahal-lárva vett részt, és a későbbi elemzések kimutatták, hogy minden egyes lárvában körülbelül 5 Magneto-t kifejező neuron található).

Kutatók olvasni és írni agyi aktivitás fény

Egy utolsó kísérletben a kutatók Magneto-t injektáltak szabadon viselkedő egerek striatumába, amely egy mély agyi struktúra, amely a jutalmazásban és motivációban szerepet játszó dopamintermelő neuronokat tartalmaz, majd az állatokat egy mágnesezett és nem mágnesezett részekre osztott készülékbe helyezték. A Magneto-t kifejező egerek sokkal több időt töltöttek a mágnesezett területeken, mint a nem mágnesezett egerek, mivel a fehérje aktiválása hatására az azt kifejező striatális neuronok dopamint szabadítottak fel, így az egerek jutalmazónak találták az e területeken való tartózkodást. Ez azt mutatja, hogy a Magneto képes távolról irányítani a neuronok tüzelését mélyen az agyban, és komplex viselkedéseket is képes irányítani.

Steve Ramirez, a Harvard Egyetem idegtudósa, aki optogenetikával manipulálja az egerek agyában lévő emlékeket, azt mondja, hogy a tanulmány "nagyon durva".  Olvassa el itt.

A "Badass" új módszer egy mágnesezett fehérjét használ az agysejtek gyors, reverzibilis és nem invazív aktiválására.

Pillanatkép az twitter.com-ről

"A korábbi kísérletek [a mágnesek használata az idegsejtek aktivitásának szabályozására] több összetevőre volt szükség ahhoz, hogy a rendszer működjön - mágneses részecskék befecskendezése, egy hőérzékeny csatornát expresszáló vírus befecskendezése, [vagy] az állat fejének rögzítése, hogy egy tekercs változást idézzen elő a mágnesességben" - magyarázza. "A probléma a többkomponensű rendszerrel az, hogy annyi lehetőség van arra, hogy minden egyes darab elromoljon".

"Ez a rendszer egyetlen, elegáns vírus, amelyet bárhová be lehet injektálni az agyba, ami technikailag egyszerűbbé és kevésbé valószínűvé teszi, hogy a mozgó csengők és sípok tönkremenjenek" - teszi hozzá - "és a viselkedési berendezéseiket okosan úgy tervezték, hogy adott esetben mágneseket tartalmazzanak, hogy az állatok szabadon mozoghassanak".

A "magnetogenetika" tehát fontos kiegészítője az idegtudósok eszköztárának, amelyet kétségtelenül tovább fognak fejleszteni, és az agy fejlődésének és működésének tanulmányozásához új módszereket biztosít a kutatók számára.


A Joint European Torus (JET) toroidális mágneskamrája (Tokamak) a Culham Science Centre-ben. Fénykép: AFP/Getty Images
A Joint European Torus (JET) toroidális mágneskamrája (Tokamak) a Culham Science Centre-ben.

Csatolás

DREADD: DADREAD: Egy kemogenetikai GPCR jelátviteli platform

pyu007

 


Mi a reakciód?

confused confused
1
confused
fail fail
4
fail
love love
1
love
lol lol
2
lol
omg omg
1
omg
win win
3
win