Naukowcy ze Stanów Zjednoczonych opracowali nową metodę kontrolowania obwodów mózgowych związanych ze złożonymi zachowaniami zwierząt, wykorzystując inżynierię genetyczną do stworzenia namagnesowanego białka, które na odległość aktywuje określone grupy komórek nerwowych.
Zrozumienie, w jaki sposób mózg generuje zachowanie, jest jednym z ostatecznych celów neuronauki – i jednym z najtrudniejszych pytań. W ostatnich latach naukowcy opracowali szereg metod umożliwiających im zdalne sterowanie określonymi grupami neuronów oraz badanie działania obwodów neuronalnych.
Najpotężniejszą z nich jest metoda zwana optogenetyką, która umożliwia naukowcom włączanie i wyłączanie populacji powiązanych neuronów w skali milisekundy na milisekundę za pomocą impulsów światła laserowego. Inna niedawno opracowana metoda, zwana chemogenetyką, wykorzystuje zmodyfikowane białka, które są aktywowane przez zaprojektowane leki i mogą być ukierunkowane na określone typy komórek.
Chociaż potężne, obie te metody mają wady. Optogenetyka jest inwazyjna, wymagająca wprowadzenia włókien optycznych dostarczających impulsy świetlne do mózgu, a ponadto zakres, w jakim światło wnika w gęstą tkankę mózgową, jest poważnie ograniczony. Podejścia chemogenetyczne przezwyciężają oba te ograniczenia, ale zazwyczaj wywołują reakcje biochemiczne, których aktywacja komórek nerwowych trwa kilka sekund.
Wizja artysty przedstawiająca medycznego nanorobota w krwiobiegu.
Zdalna kontrola aktywności mózgu za pomocą podgrzanych nanocząstek.
Nowa technika, opracowana w laboratorium Ali Gülera na University of Virginia w Charlottesville i opisana w publikacji online w czasopiśmie Nature Neuroscience, jest nie tylko nieinwazyjna, ale może również szybko i odwracalnie aktywować neurony.
Kilka wcześniejszych badań wykazało, że białka komórek nerwowych, które są aktywowane pod wpływem ciepła i nacisku mechanicznego, mogą być modyfikowane genetycznie tak, aby stały się wrażliwe na fale radiowe i pola magnetyczne, poprzez przyłączenie ich do białka magazynującego żelazo zwanego ferrytyną lub do nieorganicznych cząstek paramagnetycznych . Metody te stanowią ważny postęp – były już na przykład stosowane do regulowania poziomu glukozy we krwi u myszy – ale obejmują wiele składników, które należy wprowadzać oddzielnie.
Nowa technika opiera się na tych wcześniejszych pracach i opiera się na białku zwanym TRPV4, które jest wrażliwe zarówno na temperaturę, jak i siły rozciągające. Te bodźce otwierają jego centralny por, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego przez błonę komórkową; to wywołuje impulsy nerwowe, które wędrują do rdzenia kręgowego, a następnie do mózgu.
Güler i jego koledzy doszli do wniosku, że siły magnetycznego momentu obrotowego (lub rotacyjnego) mogą aktywować TRPV4 poprzez otwarcie jego centralnego poru, więc wykorzystali inżynierię genetyczną, aby połączyć białko z paramagnetycznym regionem ferrytyny, wraz z krótkimi sekwencjami DNA, które sygnalizują komórkom transport białka do błony komórek nerwowych i wstawiają je do niej.
Manipulacja in vivo zachowania danio pręgowanego za pomocą Magneto. Larwy danio pręgowanego wykazują zwijanie się w odpowiedzi na zlokalizowane pola magnetyczne. Od Wheelera i in. (2016).
Kiedy wprowadzili ten konstrukt genetyczny do ludzkich embrionalnych komórek nerkowych rosnących na szalkach Petriego, komórki zsyntetyzowały białko „Magneto” i wstawiły je do swojej błony. Zastosowanie pola magnetycznego aktywowało zmodyfikowane białko TRPV1, o czym świadczą przejściowe wzrosty stężenia jonów wapnia w komórkach, które wykryto za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego.
Następnie naukowcy wprowadzili do genomu wirusa sekwencję Magneto DNA wraz z genem kodującym białko zielonej fluorescencji oraz regulatorowymi sekwencjami DNA, które powodują, że konstrukt ulega ekspresji tylko w określonych typach neuronów. Następnie wstrzyknęli wirusa do mózgów myszy, celując w korę śródwęchową i przecięli mózgi zwierząt, aby zidentyfikować komórki emitujące zieloną fluorescencję. Za pomocą mikroelektrod wykazali, że przyłożenie pola magnetycznego do skrawków mózgu aktywowało Magneto, dzięki czemu komórki wytwarzają impulsy nerwowe.
„Poprzednie próby [wykorzystywanie magnesów do kontrolowania aktywności neuronalnej] wymagały wielu komponentów do działania systemu – wstrzykiwania cząstek magnetycznych, wstrzykiwania wirusa, który wyraża kanał wrażliwy na ciepło, [lub] mocowania do głowy zwierzęcia, aby cewka mogła wywołać zmiany w magnetyzmie”, wyjaśnia. „Problem z posiadaniem systemu wieloskładnikowego polega na tym, że jest tak dużo miejsca, aby każdy element mógł się zepsuć”.
„Ten system jest pojedynczym, eleganckim wirusem, który można wstrzyknąć w dowolne miejsce mózgu, co czyni technicznie łatwiejszym i mniej podatnym na zepsucie ruchomych dzwonków i gwizdków”, dodaje, „a ich sprzęt behawioralny został sprytnie zaprojektowany tak, aby zawierał magnesy w stosownych przypadkach, aby zwierzęta mogły się swobodnie poruszać.”
„Magnetogenetyka” jest zatem ważnym dodatkiem do zestawu narzędzi neuronaukowców, który niewątpliwie będzie dalej rozwijany i zapewni naukowcom nowe sposoby badania rozwoju i funkcji mózgu.
Odniesienie
