Российские ученые разработали метод точечной стимуляции нейронов мозга импульсами инфракрасного лазера. Для этого они встроили в нейроны мышей змеиные белки-терморецепторы. Опубликованные в журнале Nature Communications результаты помогут без вживления в организм стимулировать нейронные сети в мозге, а также управлять активностью других типов клеток в живых системах. В будущем это может помочь в терапии различных заболеваний нервной системы.
«В 1979 году Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК, высказал предположение, что главным вызовом в нейробиологии является создание методов, которые позволяли бы стимулировать определенный тип нервных клеток, в то время как другие клетки оставались бы нечувствительными к стимулу. Электроды и лекарства с этим не справлялись — слишком грубые и неточные инструменты. Крик считал, что для этих целей подойдет свет»,— говорит один из авторов работы Юлия Ермакова. По ее словам, возможность осуществить идею Крика появилась лишь в 2005 году, когда исследователи из Стэнфордского университета под руководством Карла Диссерота генетически модифицировали нервные клетки, придав им чувствительность к свету и положив начало оптогенетике.
Нейроны приобретают чувствительность к свету благодаря искусственно встроенным в них белкам-рецепторам, которые в природе помогают живым организмам ориентироваться в окружающей среде. Так, световые сигналы воспринимаются родопсинами и фототропинами, а температурные колебания — терморецепторами семейства TRP (Transient receptor potential). С их помощью мы чувствуем холод и тепло, а также вкус острой пищи или ментоловый «холодок». Терморецепторы легли в основу метода термогенетики, позволяющего точечно воздействовать на нейроны инфракрасным излучением, гораздо глубже проникающим в ткани по сравнению с видимым светом.
Сотрудники Института биоорганической химии РАН совместно с коллегами из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова встроили в нейроны мышей змеиные терморецепторы TRPA1, которые отвечают у змей за термозрение — способность «видеть» теплые объекты на расстоянии даже в полной темноте.
Эксперименты проводились in vitro, на культуре клеток-нейронов мышей. «Так мы установили, что активация термочувствительных каналов TRPA1 происходит в течение первых миллисекунд после подачи лазерного импульса,— объясняет Юлия Ермакова.— Это позволяет применять термогенетику для быстрой стимуляции нейронов и воспроизводить сложные комбинации различных импульсов со скоростью до 50 импульсов в секунду».
А чтобы подтвердить, что термогенетика может применяться для стимуляции поведенческих реакций в живом организме (in vivo), исследователи провели эксперимент на рыбках данио рерио. В ответ на импульс инфракрасного излучения диаметром 60 микрометров, что чуть больше размера крупного нейрона, рыбки испытывали ложное чувство прикосновения и делали рефлекторный мах хвостом, стараясь уплыть.
«Метод термогенетики открывает широкие перспективы для его использования в науке и для дальнейших разработок»,— говорит руководитель исследования Всеволод Белоусов. По его словам, полученный инструментарий можно использовать для активации не только нейронов, что открывает новый подход терапевтической стимуляции и подавления функций различных клеток в организме.
Оптогенетика делает первые шаги, теперь к ней присоединится и термогенетика, выведенная на новый уровень работой российских ученых.
Юлия Шуляк