ASV pētnieki ir izstrādājuši jaunu metodi, kā kontrolēt smadzeņu ķēdes, kas saistītas ar sarežģītu dzīvnieku uzvedību, izmantojot gēnu inženieriju, lai radītu magnetizētu proteīnu, kas no attāluma aktivizē noteiktas nervu šūnu grupas.

Neirozinātnes mērķi

Izprast, kā smadzenes veido uzvedību, ir viens no galvenajiem neirozinātnes mērķiem un viens no sarežģītākajiem jautājumiem. Pēdējos gados pētnieki ir izstrādājuši vairākas metodes, kas ļauj attālināti kontrolēt noteiktas neironu grupas un izpētīt neironu ķēžu darbību.

Visspēcīgākā no tām ir metode, ko sauc par optoģenētiku, kas ļauj pētniekiem ar lāzera gaismas impulsiem ieslēgt vai izslēgt radniecīgu neironu populācijas milisekundes pēc milisekundes laika skalā. Cita nesen izstrādāta metode, ko sauc par ķīmģenētiku, izmanto inženierijas ceļā radītas olbaltumvielas, kuras aktivizē ar izstrādātām zālēm un kuras var mērķtiecīgi izmantot konkrētos šūnu tipos. Skatīt pdf beigās post.

Lai gan abas šīs metodes ir efektīvas, tām ir trūkumi. Optoģenētika ir invazīva, jo ir nepieciešams ievadīt optiskās šķiedras, kas piegādā gaismas impulsus smadzenēs, turklāt gaismas iekļūšanas iespējas blīvajos smadzeņu audos ir ļoti ierobežotas. Ķīmogēniskās metodes pārvar abus šos ierobežojumus, bet parasti izraisa bioķīmiskas reakcijas, kas prasa vairākas sekundes, lai aktivizētu nervu šūnas.

Smadzeņu darbības tālvadība ar uzkarsētām nanodaļiņām

Jaunais paņēmiens, kas izstrādāts Ali Gīlera laboratorijā Virdžīnijas Universitātē Šarlotsvilā un aprakstīts žurnālā Nature Neuroscience publicētajā tiešsaistes publikācijā, ir ne tikai neinvazīvs, bet ar to var arī ātri un atgriezeniski aktivizēt neironus. Lasiet šeit.

Ģenētiski inženierijas ceļā radīti šūnu proteīni

Vairāki iepriekš veikti pētījumi liecina, ka nervu šūnu olbaltumvielas, kas aktivizējas karstuma un mehāniskā spiediena ietekmē, var ģenētiski pārveidot tā, lai tās kļūtu jutīgas pret radioviļņiem un magnētiskajiem laukiem, pievienojot tās dzelzs uzkrājošam proteīnam feritīnam vai neorganiskām paramagnētiskām daļiņām. Šīs metodes ir nozīmīgs sasniegums - tās jau ir izmantotas, piemēram, lai regulētu glikozes līmeni pelēm asinīs -, taču tās ietver vairākas sastāvdaļas, kas jāievieš atsevišķi.




TRPV4 proteīns

Jaunā metode ir balstīta uz šo iepriekšējo darbu, un tās pamatā ir proteīns TRPV4, kas ir jutīgs gan pret temperatūru, gan stiepes spēkiem. Šie stimuli atver tā centrālo poru, ļaujot elektriskajai strāvai plūst cauri šūnas membrānai; tas izraisa nervu impulsus, kas nonāk muguras smadzenēs un pēc tam smadzenēs.


Gulers un viņa kolēģi secināja, ka magnētiskā griezes momenta (vai rotācijas) spēki varētu aktivizēt TRPV4, pavelkot tā centrālo poru, tāpēc viņi izmantoja gēnu inženieriju, lai proteīnu savienotu ar feritīna paramagnētisko apgabalu kopā ar īsām DNS sekvencēm, kas signalizē šūnām transportēt proteīnus uz nervu šūnu membrānu un ievietot tos tajā.

 

In vivo manipulācijas ar zebriņu uzvedību, izmantojot Magneto. Zebruņu kāpuri uzvedas, reaģējot uz lokalizētiem magnētiskajiem laukiem. No Wheeler et al (2016).

Kad viņi ieviesa šo ģenētisko konstrukciju cilvēka embrionālajās nieru šūnās, kas auga Petri trauciņos, šūnas sintezēja "Magneto" proteīnu un ieveda to savā membrānā. Magnētiskā lauka pielietošana aktivizēja inženierijas ceļā radīto TRPV1 proteīnu, par ko liecināja īslaicīgs kalcija jonu koncentrācijas pieaugums šūnās, ko konstatēja ar fluorescences mikroskopu.

Pēc tam pētnieki ieviesa Magneto DNS sekvenci vīrusa genomā kopā ar gēnu, kas kodē zaļo fluorescējošo proteīnu, un regulējošām DNS sekvencēm, kas nodrošina, ka konstrukcija tiek ekspresēta tikai noteikta tipa neironos. Pēc tam viņi injicēja vīrusu peļu smadzenēs, mērķējot uz entorhinālo garozu, un izoperēja dzīvnieku smadzenes, lai identificētu šūnas, kas izstaroja zaļo fluorescenci. Pēc tam, izmantojot mikroelektrodus, viņi pierādīja, ka magnētiskā lauka iedarbība uz smadzeņu šķēlītēm aktivizē Magneto, lai šūnas radītu nervu impulsus.

Lai noteiktu, vai Magneto var izmantot, lai manipulētu ar neironu aktivitāti dzīvos dzīvniekos, viņi injicēja Magneto zebriņu kāpuriem, mērķējot uz neironiem stumbrā un astē, kas parasti kontrolē bēgšanas reakciju. Pēc tam viņi ievietoja zebriņu kāpurus īpaši izveidotā akvārijā ar magnētu un konstatēja, ka magnētiskā lauka iedarbība izraisīja vijuma manevrus, kas bija līdzīgi tiem, kas rodas bēgšanas reakcijas laikā. (Šajā eksperimentā piedalījās deviņi zebriņu kāpuri, un turpmākās analīzes atklāja, ka katrā kāpurā bija aptuveni 5 neironi, kas ekspresē Magneto).

Pētnieki lasa un raksta smadzeņu darbību ar gaismu

Pēdējā eksperimentā pētnieki injicēja Magneto brīvi uzturošos peļu striatumā - dziļā smadzeņu struktūrā, kas satur dopamīnu ražojošus neironus, kuri ir iesaistīti atlīdzības un motivācijas procesos, un pēc tam ievietoja dzīvniekus aparātā, kas sadalīts magnētizētās un nemagnētizētās daļās. Peles, kurās tika lietots Magneto, pavadīja daudz vairāk laika magnetizētajās zonās nekā peles, kurās Magneto netika lietots, jo olbaltumvielas aktivizēšana izraisīja to ekspresējošo striatālo neironu dopamīna izdalīšanos, tāpēc peles uzskatīja, ka uzturēšanās šajās zonās sniedz gandarījumu. Tas liecina, ka Magneto var attālināti kontrolēt neironu degšanu dziļi smadzenēs, kā arī kontrolēt sarežģītu uzvedību.

Hārvarda universitātes neirozinātnieks Stīvs Ramirezs, kurš izmanto optoģenētiku, lai manipulētu ar atmiņām peļu smadzenēs, saka, ka šis pētījums ir "slikts".  Lasiet šeit.

"Badass" ir jauna metode, kas izmanto magnetizētu proteīnu, lai ātri, atgriezeniski un neinvazīvi aktivizētu smadzeņu šūnas.

twitter.com ekrānšāviņš

"Iepriekšējiem mēģinājumiem [izmantot magnētus neironu aktivitātes kontrolei], lai sistēma darbotos, bija nepieciešami vairāki komponenti - magnētisko daļiņu injicēšana, vīrusa, kas ekspresē karstumjutīgu kanālu, injicēšana vai dzīvnieka galvas nostiprināšana, lai spole varētu izraisīt magnētisma izmaiņas," viņš skaidro. "Daudzkomponentu sistēmas problēma ir tā, ka ir tik daudz iespēju, ka katra atsevišķa detaļa var sabojāties."

"Šī sistēma ir vienots, elegants vīruss, ko var injicēt jebkurā smadzeņu vietā, kas padara to tehniski vienkāršāku un samazina iespēju, ka pārvietojamie zvani un svilpītes varētu sabojāties," viņš piebilst, "un viņu uzvedības aprīkojums bija gudri izstrādāts, lai attiecīgajās vietās ietvertu magnētus, lai dzīvnieki varētu brīvi pārvietoties."

Tāpēc "magnetģenētika" ir nozīmīgs neirozinātnieku instrumentu klāsta papildinājums, kas neapšaubāmi tiks attīstīts tālāk un sniegs pētniekiem jaunus veidus, kā pētīt smadzeņu attīstību un funkcijas.


Toroidālā magnētiskā kamera (tokamaks) Eiropas Apvienotajā Eiropas torusā (JET), kas atrodas Kulhemas zinātnes centrā. Fotogrāfija: AFP/Getty Images
Toroidālā magnētiskā kamera (tokamaks) Eiropas Apvienotajā Eiropas torusā (JET), kas atrodas Kulhemas zinātnes centrā.

Pielikums

DREADD: Ķīmogēniskā GPCR signalizācijas platforma

pyu007

 


Kāda ir jūsu 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