Орели Пала и Карл Петерсен из Brain Mind Institute при EPFL использовали новую технику, «оптогенетику», которая за последние десять лет значительно продвинулась в области нейробиологии. Этот метод использует свет для точного контроля активности определенных нейронов у живых, даже движущихся животных, в режиме реального времени. Такая точность имеет решающее значение для изучения сотен различных типов нейронов и понимания высших функций мозга, таких как мышление, поведение, язык, память – или даже психические расстройства.
Активация нейронов светом
Оптогенетика работает, вставляя ген светочувствительного белка в живые нейроны, от одной клетки до целого семейства. Затем генетически модифицированные нейроны производят светочувствительный белок, который находится на их внешней стороне, мембране.
Там он действует как электрический канал – что-то вроде ворот. Когда свет попадает на нейрон, канал открывается и позволяет электрическим ионам проникать в клетку; немного похоже на батарею, заряжаемую солнечным элементом.
Добавление электрических ионов изменяет баланс напряжения нейрона, и, если оптогенетический стимул достаточно силен, он генерирует взрывной электрический сигнал в нейроне.
И в этом влияние оптогенетики: управление нейронной активностью путем включения и выключения света.
Запись нейронных передач
Пала использовала оптогенетику для стимуляции одиночных нейронов анестезированных мышей и выяснила, можно ли использовать этот подход для регистрации синаптических передач. Нейроны, на которые она нацелена, были расположены в части мозга мыши, называемой бочкообразной корой, которая обрабатывает сенсорную информацию от усов мыши.
Когда Пала освещал синим светом нейроны, содержащие светочувствительный белок, нейроны активировали и посылали сигналы.
В то же время она измеряла электрические сигналы в соседних нейронах с помощью микроэлектродов, которые могут регистрировать небольшие изменения напряжения на мембране нейрона.
Используя эти подходы, исследователи изучили, как светочувствительные нейроны связаны с некоторыми из своих соседей: небольшими соединительными нейронами, называемыми «интернейронами».«В мозге интернейроны обычно тормозят: когда они получают сигнал, они снижают вероятность того, что следующий нейрон продолжит передачу.
Исследователи записали и проанализировали синаптическую передачу от светочувствительных нейронов к интернейронам. Кроме того, они использовали передовую технику визуализации (двухфотонную микроскопию), которая позволила им глубоко заглянуть в мозг живой мыши и определить тип каждого интернейрона, который они изучали.
Данные показали, что нейронные передачи от светочувствительных нейронов различались в зависимости от типа интернейрона на принимающей стороне.
«Это экспериментальное исследование», – говорит Орели Пала, получившая докторскую степень за эту работу. «Тем не менее, мы думаем, что можем использовать оптогенетику, чтобы составить более широкую картину связи между другими типами нейронов в других областях мозга."
Ученые теперь стремятся изучить другие нейронные связи в коре головного мозга мышей.
Они также хотят попробовать эту технику на бодрствующих мышах, чтобы увидеть, как включение и выключение нейрональной активности с помощью света может повлиять на высшие функции мозга.