Молекулярные биологи из Института Биоорганической Химии (ИБХ РАН) совместно с нейробиологами из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (ИВНД и НФ РАН) и физиками из МГУ им. М.В. Ломоносова разработали новую технологию стимуляции нервных клеток инфракрасным излучением, генетически встраивая в нейроны млекопитающих белки-терморецепторы змей. Опубликованные в мае в журнале Nature Communications результаты открывают возможность неинвазивно стимулировать нейронные сети любых животных, а также управлять активностью других типов клеток в живых системах.
Учёных давно интересовал вопрос о том, как можно “точечно” управлять нейронами. В частности, в 1979 году Френсис Крик, открывший структуру ДНК вместе с Джеймсом Уотсоном, высказал предположение, что главным вызовом в нейробиологии является создание методов, которые позволяли бы стимулировать определенный тип нервных клеток, в то время как другие клетки оставались бы нечувствительными к стимулу. Практическое осуществление его идея получила лишь в 2005 году, когда группа исследователей из Стэнфордского университета под руководством Карла Диссерота смогла возбудить нервные клетки с помощью облучения светом. Этот метод назвали оптогенетикой (сочетание оптики и генетики).
Нейроны приобретают чувствительность к свету благодаря генетически встроенным в них белкам-рецепторам, которые в природе помогают живым организмам ориентироваться в окружающей среде. В зависимости от видов физического воздействия рецепторы делятся на различные классы. Так, световые сигналы воспринимаются родопсинами и фототропинами, а температурные колебания - терморецепторами семейства TRP (Transient receptor potential). Именно с их помощью мы чувствуем горячие или холодные объекты, а также вкус острой пищи или ментоловый “холодок”. Терморецепторы легли в основу метода термогенетики, также позволяющего «точечно» воздействовать на нейроны длинноволновым инфракрасным излучением, проникающим в ткани очень глубоко.
В своем исследовании ученые из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова использовали в качестве белков-рецепторов высоко чувствительные терморецепторы змей TRPA1, которые отвечают за термозрение – способность некоторых змей «видеть» теплые объекты на расстоянии. Это помогает животным ориентироваться в пространстве и охотиться в темноте.
Первая часть экспериментов проводилась на культуре нервных клеток мышей. Из оптоволоконной лазерной установки на нейроны локально подавали инфракрасный свет и электрофизиологически регистрировали их активацию, измеряя поток ионов через мембрану.
«Нам удалось измерить динамику ответа нейрона на очень небольшие изменения температуры, на которые обычно нейроны не отвечают - объясняет Евгений Никитин, руководитель группы нейрофотоники ИВНД и НФ РАН. – Полученные данные прямо показывают возможность избирательного управления активностью нейронов со встроенными терморецепторами змеи».
Исследование включало не только биологическую, но и физическую составляющую. Для термогенетической стимуляции исключительно важно нагревать живую ткань на заданную температуру, не превышающую 1-2 градуса. Недостаточный нагрев неспособен активировать нейроны. Избыточный – приведет к перегреву и гибели нейронов. Коллективом физиков из МГУ под руководством Алексея Желтикова был разработан метод локальной детекции температуры с помощью квантовых эффектов в микрочастицах алмазов, имеющих специальные дефекты кристаллической решетки. Такой алмаз, будучи помещенным на кончик оптоволокна, способен измерять температуру нагреваемого образца с высокой точностью.
Метод термогенетики открывает широкие перспективы для использования и для дальнейших разработок. Во-первых, ИК-излучение глубже проникает в ткань, а значит, появится возможность стимулировать более глубокие слои мозга. Более того, для нагрева можно использовать не только инфракрасное излучение, но и фокусированные СВЧ-волны или магниты высокой мощности. Во-вторых, термогенетика имеет огромное преимущество в работе с маленькими модельными животными, такими как улитки, мальки рыб или плодовые мушки. В классических оптогенетических экспериментах животные видят синий свет, используемый для активации нейронов, и пугаются его. ИК-излучение для них невидимо, поэтому можно не опасаться побочных реакций животного на яркий свет. В-третьих, полученный молекулярный и технический инструментарий можно использовать для активации не только нейронов, но и других клеток. Все вместе, это приведет к появлению новых подходов к терапевтической стимуляции или, наоборот, подавлению функций различных клеток в организме. Оптогенетика делает первые шаги в этой области, теперь к ней присоединится и термогенетика, выведенная данной работой на новый уровень.
Литература
П.М. Балабан Молекулярные механизмы модификации памяти. Журнал высшей нервной деятельности. 2017. Т. 67. № 2. С. 131-140.
Ermakova Y.G., Lanin A.A., Fedotov I.V., Roschchin M., Kelmanson D.K., Bogdanova Y.A., Shokhina A.G., Bilan D.S., Staroverov D.B., Balaban P.M., Fedorov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Nikitin E.S., Zheltikov A.M., Belousov V.V. Thermogenetic neurostimulation with genetic-cell resolution. Nature Communications. 2017. V. 8. 153562. DOI: 10.1038/ncomms15362