Наш мозг состоит из миллиардов нейронов, соединенных между собой в сложные сети. Они общаются между собой, посылая электрические сигналы, известные как потенциалы действия, и химические сигналы, известные как нейротрансмиттеры, в процессе, называемом синаптической передачей.

Химические нейротрансмиттеры высвобождаются из одного нейрона, диффундируют к другим и достигают клеток-мишеней, генерируя сигнал, который возбуждает, ингибирует или модулирует клеточную активность . Время и сила этих сигналов имеют решающее значение для обработки и интерпретации сенсорной информации мозгом , принятия решений и формирования поведения.

Контроль связей между нейронами позволил бы нам лучше понять и лечить неврологические расстройства, перенастроить или исправить неисправности нейронных цепей после повреждения, улучшить наши способности к обучению или расширить наш набор моделей поведения.

Существует несколько подходов к управлению активностью нейронов . Одним из возможных методов является использование препаратов, которые изменяют уровень химических нейротрансмиттеров в мозге и влияют на активность нейронов. Другой подход заключается в использовании электрической стимуляции определенных областей мозга для активации или торможения нейронов. Третья возможность — использование света для управления нейронной активностью.

Использование фотонов для управления активностью нейронов

Использование света для манипулирования активностью нейронов — относительно новый метод, который изучался в прошлом. Он включает генетическую модификацию нейронов для экспрессии светочувствительных белков, ионных каналов, насосов или специфических ферментов в клетках-мишенях. Этот метод позволяет исследователям точно контролировать активность конкретных популяций нейронов с более высокой точностью.

Однако существуют некоторые ограничения. Его необходимо доставить очень близко к нейронам, чтобы достичь достаточного разрешения на уровне синапсов, поскольку свет рассеивается в тканях мозга. Таким образом, он часто является инвазивным, требующим внешних вмешательств. Более того, интенсивность, необходимая для достижения клеток-мишеней, может быть потенциально опасна для них.

Чтобы преодолеть эти проблемы, группа исследователей ICFO представляет в Nature Methods систему, которая использует фотоны вместо химических нейротрансмиттеров в качестве стратегии контроля активности нейронов.

Исследователи ICFO Монтсеррат Порта, Адриана Каролина Гонсалес, Неус Санфелиу-Сердан, Шади Карими, Навапхат Малайвонг, Александра Пидде, Луис Фелипе Моралес и Сара Гонсалес-Боливар под руководством профессора Михаэля Крига вместе с Пабло Фернандесом и Седриком Хертом разработали метод соединить два нейрона с помощью люцифераз, светоизлучающих ферментов и светочувствительных ионных каналов.

Они разработали и протестировали систему под названием PhAST — сокращение от Photons As Synaptic Transmitters — на аскаридах Caenorhabditis elegans, модельном организме, широко используемом для изучения конкретных биологических процессов. Подобно тому, как биолюминесцентные животные используют фотоны для общения, PhAST использует ферменты люциферазы для передачи фотонов вместо химических веществ в качестве передатчиков между нейронами.

Замена химических нейротрансмиттеров фотонами

Чтобы проверить, могут ли фотоны кодировать и передавать состояние активности между двумя нейронами, команда генетически модифицировала круглых червей, чтобы они имели дефектные нейротрансмиттеры, что сделало их нечувствительными к механическим раздражителям. Они стремились преодолеть эти дефекты с помощью системы PhAST.

Во-вторых, они разработали светоизлучающие ферменты люциферазы и выбрали ионные каналы, чувствительные к свету. Чтобы следить за информационным потоком , они разработали устройство, которое создавало механические воздействия на нос животного, одновременно измеряя активность кальция в сенсорных нейронах, одного из самых важных ионов и внутриклеточных мессенджеров.

Чтобы иметь возможность видеть фотоны и изучать биолюминесценцию, команда ранее разработала новый микроскоп, упростив флуоресцентный, удалив все ненужные оптические элементы, такие как фильтры, зеркала или сам лазер, с помощью машинного обучения для уменьшения шума. поступающие от внешних источников света.

Затем исследователи проверили, что система PhAST работает в нескольких экспериментах, и им удалось использовать фотоны для передачи состояний нейронов. Им удалось установить новую передачу между двумя не связанными между собой клетками, восстановив нейронную связь в неисправной цепи. Они также подавляли реакцию животных на болевой раздражитель, изменяли их реакцию на обонятельный раздражитель с привлекательного на отталкивающее поведение и изучали динамику кальция при откладке яиц.

Эти результаты показывают, что фотоны действительно могут действовать как нейротрансмиттеры и обеспечивать связь между нейронами и что система PhAST позволяет синтетически модифицировать поведение животных.

Потенциал света как посланника

Light как мессенджер предлагает широкие возможности для будущих потенциальных приложений. Поскольку фотоны могут использоваться в других типах клеток и некоторых видах животных, это имеет большое значение как для фундаментальных исследований, так и для клинических применений в нейробиологии.

Использование света для контроля и мониторинга активности нейронов может помочь исследователям лучше понять основные механизмы работы мозга и сложного поведения, а также то, как различные области мозга взаимодействуют друг с другом, предоставляя новые способы визуализации и картирования активности мозга с более высоким пространственным и временным разрешением. Это также может помочь исследователям разработать новые методы лечения и, например, быть полезным для восстановления поврежденных связей мозга без инвазивных операций.

Тем не менее, все еще существуют некоторые ограничения для широкого использования технологии, и дальнейшие улучшения в разработке биолюминесцентных ферментов и ионных каналов или в нацеливании молекул позволят оптически контролировать функцию нейронов, неинвазивно и с более высокой специфичностью и точностью.