«Этот новый инструмент позволит нейробиологам применять оптогенетику в экспериментах на животных, гарантируя, что изучаемый мозг будет минимально поврежден во время экспериментов», – говорит соавтор исследования Гопин Фэн из Массачусетского технологического института (MIT). «В частности, модели обезьян имеют решающее значение для нашего понимания высокой когнитивной функции и ее дисфункции при расстройствах мозга, таких как шизофрения и болезнь Альцгеймера, а также для разработки методов лечения этих разрушительных расстройств мозга."
Оптогенетика – это метод, который включает использование света для активации или деактивации нейронов, которые генетически модифицированы для производства светочувствительных белков, называемых опсинами. Этот подход позволил нейробиологам изучить причинную роль разных типов нейронов в различных поведенческих и когнитивных процессах. Но одним из основных недостатков является то, что этот метод обычно требует имплантации оптических волокон, что может вызвать повреждение и воспаление головного мозга и увеличить риск заражения.
«До нашего исследования несколько исследований внесли различный вклад в разработку методов оптогенетической стимуляции, которые были бы минимально инвазивными для мозга», – говорит соавтор исследования Роберт Десимон из Массачусетского технологического института. "Однако все эти исследования имели различные ограничения в отношении областей мозга, которые они могли активировать. Одним из основных нововведений нашего исследования является то, что оно впервые продемонстрировало метод активации любой области мозга мыши независимо от ее местоположения светом извне черепа."
В новом исследовании ученые использовали светочувствительный белок SOUL для управления активностью нейронов в боковом гипоталамусе – одной из самых глубоких областей мозга мыши. Они сделали это, пропуская свет через оптическое волокно, расположенное над неповрежденным черепом.
Чтобы подтвердить, что подход работает, они также отслеживали реакции нейронов в этой области мозга, используя электрофизиологические записи.
Доставка синего света стимулировала нейроны и нарушала пищевое поведение, которое контролируется боковым гипоталамусом. Кроме того, оранжевый свет дезактивировал нейроны и восстановил нормальное потребление пищи.
Дальнейший анализ подтвердил, что этот подход не вызвал воспаления или травмы головного мозга.
Исследователям пришлось изменить свою технику на макаках, у которых черепа намного толще, чем у мышей. Они доставляли свет через оптическое волокно, расположенное за пределами твердой мозговой оболочки – толстой мембраны из плотной ткани, окружающей мозг.
Эти эксперименты показали, что ДУША может использоваться у обезьян для изменения нейронных реакций в коре – внешнем слое нервной ткани в головном мозге. По словам авторов, ни одно предыдущее исследование не продемонстрировало оптогенетический метод с такой минимальной инвазивностью у макак.
Удивительно, но этот метод смог вызвать и нарушить локальные колебания потенциала поля – ритмичную, синхронизированную электрическую активность нейронов. До сих пор было очень сложно манипулировать колебаниями, чтобы изучить их причинную роль в функциях мозга.
«Считается, что эти колебания очень важны для многих функций мозга, включая память, внимание, сон и принятие решений», – говорит соавтор исследования Диего Мендоза-Халлидей из Массачусетского технологического института. «Было интересно узнать, что наш новый опсин можно использовать в качестве метода для включения и выключения этих мозговых волн по желанию, поскольку это позволит нам лучше изучить роль этих волн во многих функциях мозга."
Двигаясь вперед, оптогенетика, основанная на SOUL, открывает множество новых направлений исследований. Например, этот подход может пролить свет на раннее развитие мозга, который особенно подвержен серьезному повреждению тканей, вызванному длительными имплантатами оптического волокна. Благодаря своей превосходной светочувствительности, SOUL можно использовать для управления нейронными ответами в более крупных нейронных цепях, участвующих в различных функциях мозга.
Более того, SOUL остается активным более 30 минут, что позволяет ученым в долгосрочной перспективе изучать поведение свободно движущихся животных, не ограниченное оптическими волокнами.
Со своей стороны, исследователи будут работать над улучшением чувствительности ДУШИ, чтобы они могли управлять нейронной активностью через толстые черепа крупных животных, чтобы достичь более глубоких областей мозга.
Помимо выявления причин неврологических и психических расстройств у животных, этот подход однажды может быть использован для лечения этих расстройств у людей.
Хотя этот метод снижает инвазивность и повреждение мозга, связанные с оптогенетикой, он все еще далек от клинического воплощения. «Прежде чем оптогенетику можно будет рассматривать как жизнеспособный вариант лечения, необходимо тщательно оценить потенциальные риски такого лечения для пациентов, особенно те, которые связаны с экспрессией опсина, чужеродного белка, в головном мозге», – говорит Фенг.