Может ли генетически модифицированный белок дистанционно управлять мозгом и поведением?


Символика человеческого мозга на фоне искусственного интеллекта AI с синей надписью - 4-значный двоичный код за информационными соединительными линиями и сотовыми элементами - Концепция кибертехнологий и автоматизации - 3D иллюстрация

Исследователи из США разработали новый метод управления мозговыми цепями, связанными со сложным поведением животных, используя генную инженерию для создания намагниченного белка, который активирует определенные группы нервных клеток на расстоянии.

Цели неврологии

Понимание того, как мозг формирует поведение, является одной из конечных целей нейронауки и одним из самых сложных вопросов. В последние годы исследователи разработали ряд методов, позволяющих дистанционно управлять определенными группами нейронов и исследовать работу нейронных цепей.

Наиболее мощным из них является метод, называемый оптогенетикой, который позволяет исследователям включать и выключать популяции родственных нейронов на временной шкале от миллисекунды до миллисекунды с помощью импульсов лазерного света. Другой недавно разработанный метод, называемый хемогенетикой, использует сконструированные белки, которые активируются дизайнерскими препаратами и могут быть направлены на определенные типы клеток. См. pdf в конце сообщения.

Несмотря на свою эффективность, оба этих метода имеют недостатки. Оптогенетика является инвазивной, требующей введения оптических волокон, которые доставляют световые импульсы в мозг, и, кроме того, степень проникновения света в плотную ткань мозга сильно ограничена. Хемогенетические подходы преодолевают оба эти ограничения, но обычно вызывают биохимические реакции, которые занимают несколько секунд для активации нервных клеток.

Дистанционное управление деятельностью мозга с помощью нагретых наночастиц

Новый метод, разработанный в лаборатории Али Гюлера в Университете Вирджинии в Шарлоттсвилле и описанный в предварительной онлайновой публикации в журнале Nature Neuroscience, не только неинвазивен, но и может быстро и обратимо активировать нейроны. Читай здесь.

Клеточные белки, созданные с помощью генной инженерии

Несколько предыдущих исследований показали, что белки нервных клеток, которые активируются под воздействием тепла и механического давления, можно генетически модифицировать так, чтобы они стали чувствительными к радиоволнам и магнитным полям, присоединив их к железосодержащему белку ферритину или к неорганическим парамагнитным частицам. Эти методы представляют собой важный прогресс - например, они уже использовались для регулирования уровня глюкозы в крови мышей - но они включают в себя множество компонентов, которые должны быть введены отдельно.




Белок TRPV4

Новая методика основана на более ранней работе и базируется на белке TRPV4, который чувствителен как к температуре, так и к растяжению. Эти стимулы открывают его центральную пору, позволяя электрическому току проходить через клеточную мембрану; это вызывает нервные импульсы, которые поступают в спинной мозг и затем в головной.


Гюлер и его коллеги предположили, что силы магнитного момента (или вращения) могут активировать TRPV4, открывая его центральную пору, поэтому они использовали генную инженерию, чтобы соединить белок с парамагнитной областью ферритина вместе с короткими последовательностями ДНК, которые дают сигнал клеткам транспортировать белки к мембране нервной клетки и вставлять их в нее.

 

Манипулирование поведением зебрафиш в естественных условиях с помощью Magneto. Личинки зебрафиш демонстрируют поведение свертывания в ответ на локализованные магнитные поля. Из Wheeler et al (2016).

Когда они ввели эту генетическую конструкцию в клетки эмбриональной почки человека, растущие в чашках Петри, клетки синтезировали белок "Magneto" и вставили его в свою мембрану. Приложение магнитного поля активировало белок TRPV1, о чем свидетельствовало переходное увеличение концентрации ионов кальция в клетках, которое было зафиксировано с помощью флуоресцентного микроскопа.

Затем исследователи вставили последовательность ДНК Magneto в геном вируса вместе с геном, кодирующим зеленый флуоресцентный белок, и регуляторными последовательностями ДНК, которые заставляют эту конструкцию экспрессироваться только в определенных типах нейронов. Затем они ввели вирус в мозг мышей, нацелив его на энторинальную кору, и вскрыли мозг животных, чтобы определить клетки, излучающие зеленую флуоресценцию. Используя микроэлектроды, они показали, что прикладывание магнитного поля к срезам мозга активирует Magneto так, что клетки вырабатывают нервные импульсы.

Чтобы определить, можно ли использовать Magneto для манипулирования активностью нейронов у живых животных, они ввели Magneto личинкам зебрафиш, нацелив его на нейроны в туловище и хвосте, которые обычно контролируют реакцию бегства. Затем они поместили личинок зебрафиш в специально построенный намагниченный аквариум и обнаружили, что воздействие магнитного поля вызывает маневры свертывания, аналогичные тем, которые происходят во время реакции бегства. (В этом эксперименте участвовали в общей сложности девять личинок зебрафиш, и последующие анализы показали, что в каждой личинке было около 5 нейронов, экспрессирующих Magneto).

Исследователи читают и записывают активность мозга с помощью света

В последнем эксперименте исследователи ввели Magneto в стриатум свободно ведущих себя мышей - глубокую структуру мозга, содержащую дофамин-продуцирующие нейроны, которые участвуют в вознаграждении и мотивации, а затем поместили животных в аппарат, разделенный на намагниченные и ненамагниченные участки. Мыши, экспрессирующие Magneto, проводили гораздо больше времени в намагниченных областях, чем мыши, не экспрессирующие Magneto, потому что активация белка вызывала в стриатальных нейронах, экспрессирующих его, выброс дофамина, в результате чего мыши находились в этих областях с удовольствием. Это показывает, что Magneto может дистанционно управлять стрельбой нейронов глубоко в мозге, а также контролировать сложные формы поведения.

Невролог Стив Рамирес из Гарвардского университета, который использует оптогенетику для манипулирования воспоминаниями в мозге мышей, говорит, что исследование "крутое".  Читай здесь.

"Badass" - это новый метод, использующий намагниченный белок для быстрой, обратимой и неинвазивной активации клеток мозга.

Скриншот twitter.com

"Предыдущие попытки [использования магнитов для контроля активности нейронов] требовали нескольких компонентов для работы системы - введения магнитных частиц, введения вируса, экспрессирующего термочувствительный канал, [или] фиксации головы животного так, чтобы катушка могла вызывать изменения в магнетизме", - объясняет он. "Проблема многокомпонентной системы заключается в том, что каждый отдельный элемент может сломаться".

"Эта система представляет собой единый элегантный вирус, который может быть введен в любое место мозга, что делает ее технически более простой и снижает вероятность поломки движущихся колокольчиков и свистков", - добавляет он, - "а их поведенческое оборудование было умно спроектировано, чтобы содержать магниты там, где это необходимо, чтобы животные могли свободно передвигаться".

Поэтому "магнитогенетика" является важным дополнением к инструментарию нейробиологов, который, несомненно, будет развиваться дальше и предоставит исследователям новые способы изучения развития и функционирования мозга.


Тороидальная магнитная камера (Токамак) Объединенного европейского тора (JET) в научном центре Кулхэм.

Вложение

DREADD: Хемогенетическая сигнальная платформа GPCR