Фокусированный ультразвук различной степени интенсивности обладает широким потенциалом для контроля активности нейронных сетей.
Высокоинтенсивный ультразвук способен стимулировать глубокие слои мозга, что применяется для терапии болезни Паркинсона, а также разрушать дисфункциональные клетки, позволяя проводить операции на пациентах, пребывающих в сознании, без использования анестезии. В то же время ультразвук низкой интенсивности открывает возможности более тонкого регулирования активности нейронов: гематоэнцефалический барьер, чьи клетки препятствуют проникновению нежелательных веществ из крови в мозг, может быть открыт вибрациями ультразвуковой волны. Пользуясь таким доступом к нервным клеткам, исследователи из Калифорнийского технологического университета смогли «вырастить» на них искусственные рецепторы, которые активируются под воздействием исключительно синтетических препаратов (DREADDs — Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs), и таким образом «выключать» формирование новый воспоминаний у мышей. Подробности этого исследования можно прочитать в Nature Biomedical Engineering.
Неинвазивные способы контроля мозга шагают по научному миру. Ранее мы неоднократно освещали достижения оптогенетики, следующий же метод родился на пересечении возможностей генной инженерии, нейрохимии и использования ультразвука. Ученые из лаборатории Михаила Шапиро (Mikhail Shapiro) объединили несколько существовавших до этого технологий в новый способ контроля активности нервных клеток заданного типа. Ключевыми компонентами метода ATAC — acoustically targeted chemogenetics — стали:
- фокусированный ультразвук
- аденоассоциированный вирус с заданным учеными генетическим кодом и
- формирующиеся под его воздействием искусственные рецепторы, активируемые исключительно искусственными препаратами.
Каким образом связаны эти компоненты?
Сначала мышам вводили в кровь мельчайшие воздушные пузырьки и аденоассоциированный вирус, который по своей природе не является патогенным, но встраивает свою ДНК в ДНК носителя. Затем при помощи МРТ находили определенный участок мозга, который необходимо «выключить», в данном случае — гиппокамп. Воздействие на него фокусированной ультразвуковой волны точечно запускало процесс кавитации — схлопывания пузырьков с высвобождением энергии, которая «расшатывает» клетки гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), открывая вирусному вектору путь к нервной ткани. Тогда вирус, способный проникать только в определенный тип клеток, в данном случае — нервных в области гиппокампа, встраивал в них ДНК, запрограммированную учеными, включая инструкцию к созданию искусственных аналогов семиспиральных рецепторов. Однако в отличие от естественных белков искусственные рецепторы не реагируют ни на одно химическое вещество, присутствующее в живом организме, и «молчат» до тех пор, пока не будут активированы специальным препаратом, в данном случае — клозапин-N-оксидом. Будучи активированными, рецепторы препятствовали формированию новых воспоминаний.
Каково потенциальное применение возможности к «не-запоминанию»?
Например, для предотвращения формирования негативных воспоминаний. Так, через час после введения N-оксида-клозапина мышей подвергали электрической стимуляции в определенной среде, а через сутки возвращали в контекст, в котором оказывалось негативное воздействие. Обычно возвращение в ассоциированную со стрессовым воздействием обстановку заставляет мышей испытывать страх, проявляющихся как на физиологическом, так и поведенческом уровнях, однако у участников эксперимента подобные проявления наблюдались лишь в незначительном количестве, иначе говоря, была сформирована невосприимчивость к стрессовым стимулам.
Авторы работы подчеркивают, что предыдущие исследования в данном направлении сочетали в себе использование векторных вирусов или с доставкой сквозь ГЭБ, или для формирования дизайнерских рецепторов, но ни разу все три компонента. Кроме того преимущество данной технологии над другими в том, что «запрограммированный» исследователями вирус может связываться только с определенным типом клеток — допустим, с нервными, не затрагивая глиальные — тем самым оказывая точечное и обратимое воздействие. Также ученые отмечают, что для применения технологии достаточно одного сеанса воздействия ультразвука, после чего контроль нервной деятельности происходит исключительно использованием препаратов: таким образом сводятся к минимуму риски, возможные при многократном применении ультразвука.
Текст: Наталья Бернацкая