Jungtinių Valstijų mokslininkai sukūrė naują metodą, kaip valdyti smegenų grandines, susijusias su sudėtingu gyvūnų elgesiu, naudodami genų inžineriją, kad sukurtų įmagnetintą baltymą, kuris per atstumą suaktyvina tam tikras nervinių ląstelių grupes.

Neuromokslų tikslai

Suprasti, kaip smegenyse formuojasi elgesys, yra vienas svarbiausių neuromokslų tikslų ir vienas sudėtingiausių klausimų. Pastaraisiais metais tyrėjai sukūrė daugybę metodų, leidžiančių nuotoliniu būdu valdyti tam tikras neuronų grupes ir tirti neuronų grandinių veikimą.

Galingiausias iš jų - optogenetika vadinamas metodas, leidžiantis mokslininkams lazerio šviesos impulsais įjungti arba išjungti susijusių neuronų populiacijas milisekundžių tikslumu. Kitas neseniai sukurtas metodas, vadinamas chemogenetika, naudoja sukurtus baltymus, kurie aktyvuojami sukurtais vaistais ir gali būti nukreipti į konkrečius ląstelių tipus. Žr. pranešimo pabaigoje esantį pdf failą.

Nors abu šie metodai yra veiksmingi, jie turi trūkumų. Optogenetika yra invazinė, nes reikia įvesti šviesolaidžius, kuriais šviesos impulsai patenka į smegenis, be to, šviesos skverbimosi į tankų smegenų audinį mastas yra labai ribotas. Taikant chemogenetinius metodus abu šie trūkumai įveikiami, tačiau paprastai sukeliamos biocheminės reakcijos, kurios užtrunka kelias sekundes, kol suaktyvina nervines ląsteles.

Nuotolinis smegenų veiklos valdymas kaitinamomis nanodalelėmis

Ali Gülerio laboratorijoje Virdžinijos universitete Šarlotsvilyje sukurtas ir žurnale "Nature Neuroscience" iš anksto internete paskelbtame straipsnyje aprašytas naujas metodas yra ne tik neinvazinis, bet ir gali greitai bei grįžtamai aktyvuoti neuronus. Skaitykite čia.

Genetiškai sukurti ląstelių baltymai

Keletas ankstesnių tyrimų parodė, kad nervinių ląstelių baltymus, kurie suaktyvėja nuo karščio ir mechaninio spaudimo, galima genetiškai modifikuoti taip, kad jie taptų jautrūs radijo bangoms ir magnetiniams laukams, prijungiant juos prie geležį kaupiančio baltymo, vadinamo feritinu, arba prie neorganinių paramagnetinių dalelių. Šie metodai yra svarbi pažanga - pavyzdžiui, jie jau buvo naudojami pelių gliukozės kiekiui kraujyje reguliuoti - tačiau jie apima daug komponentų, kuriuos reikia įdiegti atskirai.




TRPV4 baltymas

Naujasis metodas grindžiamas ankstesniu darbu ir remiasi baltymu TRPV4, kuris yra jautrus tiek temperatūrai, tiek tempimo jėgoms. Šie dirgikliai atidaro jo centrinę porą ir leidžia elektros srovei tekėti per ląstelės membraną; tai sukelia nervinius impulsus, kurie keliauja į nugaros smegenis, o tada į galvos smegenis.


Güleris ir jo kolegos manė, kad magnetinio sukamojo momento (arba sukimosi) jėgos gali suaktyvinti TRPV4, ištraukdamos jo centrinę porą, todėl jie panaudojo genų inžineriją, kad baltymą sujungtų su feritino paramagnetine sritimi ir trumpomis DNR sekomis, kurios signalizuoja ląstelėms, kad baltymai būtų perkelti į nervinių ląstelių membraną ir į ją įterpti.

 

In vivo manipuliacijos zebražuvių elgsena naudojant Magneto. Zebražuvių lervos, reaguodamos į lokalizuotus magnetinius laukus, demonstruoja susisukimo elgseną. Iš Wheeler et al (2016).

Įvedus šį genetinį konstruktą į Petri lėkštelėse augančias žmogaus embrionines inkstų ląsteles, ląstelės susintetino "Magneto" baltymą ir įterpė jį į savo membraną. Magnetinis laukas suaktyvino sukurtą TRPV1 baltymą, ir tai parodė trumpalaikis kalcio jonų koncentracijos padidėjimas ląstelėse, kuris buvo užfiksuotas fluorescenciniu mikroskopu.

Po to mokslininkai į viruso genomą įterpė "Magneto" DNR seką, taip pat geną, koduojantį žaliąjį fluorescencinį baltymą, ir reguliavimo DNR sekas, dėl kurių konstruktas gali būti išreikštas tik tam tikrų tipų neuronuose. Tada jie įšvirkštė virusą į pelių smegenis, nukreipdami jį į entorhinalinę žievę, ir išpjaustė gyvūnų smegenis, kad nustatytų ląsteles, kurios skleidė žalią fluorescenciją. Naudodami mikroelektrodus, jie įrodė, kad smegenų skiltelių veikimas magnetiniu lauku suaktyvina Magneto, todėl ląstelės pradeda skleisti nervinius impulsus.

Siekdami nustatyti, ar "Magneto" gali būti naudojamas neuronų aktyvumui gyvų gyvūnų organizmuose valdyti, jie įšvirkštė "Magneto" zebražuvių lervoms, nukreipdami jį į liemens ir uodegos neuronus, kurie paprastai kontroliuoja pabėgimo reakciją. Tada jie patalpino zebražuvių lervutes į specialiai pastatytą akvariumą su magnetu ir nustatė, kad magnetinio lauko poveikis sukėlė sukimosi manevrus, panašius į tuos, kurie atsiranda bėgimo reakcijos metu. (Šiame eksperimente iš viso dalyvavo devynios zebražuvių lervos, o vėlesnės analizės parodė, kad kiekvienoje lervoje buvo apie 5 neuronai, išreiškiantys Magneto).

Tyrėjai skaito ir rašo smegenų veiklą naudodami šviesą

Atlikdami paskutinį eksperimentą, mokslininkai suleido "Magneto" į laisvai besielgiančių pelių striatumą - gilią smegenų struktūrą, kurioje yra neuronų, gaminančių dopaminą, dalyvaujantį atlygio ir motyvacijos procesuose, - ir patalpino gyvūnus į aparatą, padalytą į įmagnetintas ir neįmagnetintas dalis. Magneto ekspresiją turinčios pelės daug daugiau laiko praleido įmagnetintose zonose nei nemagnetintos pelės, nes baltymo aktyvinimas paskatino jį ekspresuojančius striatinių nervų neuronus išskirti dopaminą, todėl pelėms buvo malonu būti tose zonose. Tai rodo, kad Magneto gali nuotoliniu būdu valdyti neuronų degimą giliai smegenyse, taip pat valdyti sudėtingą elgesį.

Harvardo universiteto neurologas Steve'as Ramirezas, naudojantis optogenetiką pelių smegenų prisiminimams valdyti, sako, kad šis tyrimas yra "šaunus".  Skaitykite čia.

"Badass" - tai naujas metodas, kuriame naudojamas įmagnetintas baltymas smegenų ląstelėms greitai, grįžtamai ir neinvaziškai aktyvuoti.

twitter.com ekrano nuotrauka

"Ankstesniems bandymams [naudojant magnetus neuronų aktyvumui valdyti] reikėjo kelių komponentų, kad sistema veiktų - įšvirkšti magnetinių dalelių, įšvirkšti viruso, kuris išreiškia šilumai jautrų kanalą, arba pritvirtinti gyvūno galvą taip, kad ritė galėtų sukelti magnetizmo pokyčius", - aiškina jis. "Daugiakomponentės sistemos problema yra ta, kad kiekviena atskira dalis gali sugesti."

"Ši sistema - tai vienas elegantiškas virusas, kurį galima įšvirkšti į bet kurią smegenų vietą, todėl techniškai lengviau ir mažiau tikėtina, kad judantys varpeliai ir švilpukai sugestų, - priduria jis, - o jų elgesio įranga buvo sumaniai suprojektuota taip, kad prireikus joje būtų magnetų, kad gyvūnai galėtų laisvai judėti."

Todėl "magnetogenetika" yra svarbus neuromokslininkų įrankių rinkinio papildymas, kuris neabejotinai bus toliau plėtojamas ir suteiks mokslininkams naujų būdų tirti smegenų vystymąsi ir funkcijas.


Jungtinio Europos toruso (JET) toroidinė magnetinė kamera (tokamakas) Kulhamo mokslo centre. Nuotrauka: AFP/Getty Images
Jungtinio Europos toruso (JET) toroidinė magnetinė kamera (tokamakas) Kulhamo mokslo centre.

Priedas

DREADD: Chemogenetinė GPCR signalizavimo platforma

pyu007

 


Kokia jūsų reakcija?

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