Ученые могут контролировать нейронные сети мозга, поведение и эмоции, используя свет. Исследователи разработали новый оптогенный инструмент «Opto-vTrap», который, как ожидается, поможет в лечении эпилепсии, мышечных спазмах и даже в избавлении от морщин.
Это перевод интервью с командой ученых для журнала Sciencedaily. Оригинал можно прочитать здесь: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/11/211130112506.htm
Контроль передачи сигнала и рецепции внутри нейронных сетей мозга необходим для нейробиологов для того, чтобы понять функции мозга. Связи между нейронами и глиальными клетками управляется различными нейротрансмиттерами, которые выпускаются из полостей через экзоцитоз. Таким образом, регулирование экзотцитоза (выделение клетками веществ в окружающую среду) может быть реальной стратегией для контроля и управления нейронными сетями в мозгу.
Однако, сложно свободно контролировать активность клеток мозга в пространственно-временной парадигме, используя существующие технологии. Одна из них – это непрямой подход, который включает в себя искусственный контроль мембранного потенциала клеток, но возникает проблема изменения кислотности окружающего клетки пространства, или вызова непреднамеренных сигналов от нейронов. Более того, эту технику нельзя использовать для клеток, которые не отклеиваются на изменение мембранного потенциала, т.е. для глиальных клеток.
Чтобы справиться с этой проблемой, южнокорейские ученые под руководством Джастина Лии директора центра исследования познания и социализации в рамках института фундаментальных наук IBS и профессор Хео Вон Ду в корейском институте продвинутых технологий и наук RAIST разработали Opto-vTrap, световую и обратимую систему-ингибитор, которая может временно остановить выделение веществ из полостей клеток мозга. Opto-vTrap напрямую атакует трансмиттеры, которые включают в себя полости и он может быть использован для работы с разными типами клеток мозга, даже теми, что не реагирует на изменение мембранного потенциала.
Для того, чтобы напрямую контролировать экзоцитоз полостей, команда исследователей применило технологию, которую они разработали в 2014 году, под называнием активируемая светом обратная ингибиция ловушек LARIAT (аббревиатура на английском пишется как слово «аркан»). Эта платформа может деактивировать определенные типы протеинов, когда они подсвечиваются синим светом – от воздействия света они останавливаются, будто бы пойманные арканом. Opto-vTrap был разработан специально для платформы LARIAT, чтобы влиять на экзоцитоз. Когда Opto-vTrap подсвечивает клетки синим светом – полости оказываются заблокированы в клетках, не давая трансмиттерам вырваться.
Самое важное – ингибиция при использовании этой техники временная – что критично для нейробиологического исследования. Предыдущие техники, которые выполняли аналогичную задачу, повреждали протеины навсегда и тем самым выводили нейрон из строя на 24 часа и больше – что не приемлемо для большинства поведенческих экспериментов, которые происходят в течении коротких промежутков времени. Для сравнения, полости, деактивированные при помощи Opto-vTrap, снова становятся активными уже через 15 минут и нейроны снова могут восстановить все функции уже через час.
Opto-vTrap напрямую контролирует запуск сигналов трансмиттеров, что позволяет ученым свободно управлять деятельностью мозга. Команда ученых подтвердила работоспособность техники Opto-vTrap на искусственно выращенных клетках мозговой ткани. Затем они протестировали технику на живых мышах, что позволило им временно удалить страшные воспоминания из памяти животных.
В будущем Opto-vTrap будет использован для того, чтобы обнаружить сложные взаимоотношения между разными частями мозга. Эта техника станет мощным инструментом для того, чтобы исследовать то, как клетки мозга могут оказывать влияния на функции мозга в разных обстоятельствах.
Профессор Хео утверждает « Так как Opto-vTrap может быть использован для разных типов клеток, ожидается, что он будет полезен в разных областях исследования мозга». Далее он поясняет: «Мы планируем провести исследования чтобы выяснить пространственно-временные функции мозга в разных мозговых клетках в специальном окружении при помощи Opto-vTrap технологии».
«Работоспособность Opto-vTrap может превосходить цели одной только нейробиологии, но также оказать влияние на нашу повседневную жизнь» – говорит доктор Ли. «Opto-vTrap поможет не только в составлении карт нейронных сетей мозга, но и в исцелении эпилепсии, мускульных спазмов а также для новых технологий омоложения» – утверждает ученый.