Российские биологи научились включать нейроны теплом

Научный коллектив под руководством Всеволода Белоусова из Института биоорганической химии РАН создал технологию, позволяющую возбуждать отдельные нейроны в мозге животного при помощи инфракрасного излучения. Для этого клетки заставили синтезировать специальные термочувствительные белки (ионные каналы змей), которые впоследствии активировали инфракрасным лазером. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Российские биологи научились включать нейроны теплом

В последние годы в распоряжении нейробиологов оказался мощный инструмент, позволяющий выборочно активировать группы нейронов прямо в мозге живого животного при помощи света, — оптогенетика. С использованием инструментария оптогенетики оказалось возможно даже управлять памятью мышей, стирая воспоминания и внедряя ложные (прочитать об этом можно здесь). Однако при всей своей революционности этот метод обладает и рядом серьезных недостатков. Главным из них является тот факт, что активатором возбуждения нейронов является видимый свет. Он обладает малой проницаемостью сквозь ткани, поэтому животным приходится имплантировать в мозг оптоволокно. Кроме того, свет активирует не только нужные нейроны, но и собственные зрительные рецепторы, что может привести к нежелательным последствиям.

Альтернативой светового контроля работы нейронов стали термочувствительные ионные каналы из семейства TRP. Эти белки при определенной температуре начинают пропускать ионы через клеточную мембрану, что приводит к активации нейрона, в котором они экспрессируются. Попытки управлять возбуждением нейронов животных при помощи активации TRP-каналов уже предпринимались, однако подходящего метода «включения» канала пока не появилось.

Исследователи из ИБХ РАН совместно с коллегами из Института высшей нервной деятельности и физфака МГУ разработали технологию, позволяющую эффективно возбуждать единичные нейроны при помощи лазера, излучающего в инфракрасном диапазоне (около 1400 нанометров). Помимо использования лазера, ученые также придумали работать не с собственными TRP-каналами животного, как делали ранее, а с белком TRPA1 змей, который обладает повышенной чувствительностью к нагреванию и проводимостью.

Российские биологи научились включать нейроны теплом
Схема эксперимента по активации специфических нейронов у зародыша Danio rerio. Красным цветом показаны модифицированные нейроны, экспрессирующие кроме TPRA1 красный флуоресцентный белок

Для начала технология была отработана на культуре клеток млекопитающих, экспрессирующих два разных белка TRPA1 из разных видов змей. При помощи термодатчика с алмазным сенсором, позволяющего с высокой точностью измерить изменение температуры возле отдельной клетки, исследователи определили температуру активации для этих белков. Один из них, более «теплый», с температурой активации около 38 градусов, проверили в культуре нейронов мыши, а второй, более «холодный», ввели в зародыш рыбки Danio rerio. Прицельно направляя луч лазера на соматосенсорные нейроны рыбки, ответственные за чувствительность к прикосновению, ученые вызвали у животного «реакцию избегания» в виде мышечного сокращения (проще говоря, в ответ на нагрев рыбка дергала хвостом). Для активации нейронов требовалось увеличить их температуру всего на 1–3 градуса. Такое мягкое нагревание не приводит к развитию какого-либо токсичного эффекта, связанного с перегревом тканей.

Авторы работы предполагают, что для работы с теплокровными животными, такими как мыши, придется подыскать новый вариант TRPA1, с температурой активации около 40 градусов Цельсия. Однако разработанная технология, которая, по аналогии с оптогенетикой, получила название термогенетика, несомненно уже представляет большую ценность для нейробиологов, позволяя удобно и неинвазивно манипулировать мозгами холоднокровных модельных животных, таких как рыбки, дрозофилы и нематоды.

Интервью с автором данного исследования было опубликовано здесь.

Автор: Дарья Спасская

Ссылка на источник