Почти 20 лет назад ученые разработали способы стимулировать или заглушать нейроны, направляя на них свет. Этот метод, известный как оптогенетика, позволяет исследователям обнаруживать функции конкретных нейронов и то, как они взаимодействуют с другими нейронами для формирования цепей.

Опираясь на эту технику, исследователи Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали способ достижения долгосрочных изменений в активности нейронов . С помощью своей новой стратегии они могут использовать воздействие света для изменения электрической емкости мембран нейронов, что меняет их возбудимость (насколько сильно или слабо они реагируют на электрические и физиологические сигналы).

Изменения возбудимости нейронов связаны со многими процессами в головном мозге, включая обучение и старение, а также наблюдаются при некоторых заболеваниях головного мозга, включая болезнь Альцгеймера.

«Этот новый инструмент предназначен для повышения и понижения возбудимости нейронов контролируемым светом и долгосрочным образом, что позволит ученым напрямую установить причинно-следственную связь между возбудимостью различных типов нейронов и поведением животных», — говорит Сяо Ван, исследователь. Томас Д. и Вирджиния Кэбот, доценты химии Массачусетского технологического института, а также члены Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда. «Будущее применение нашего подхода в моделях заболеваний покажет, может ли тонкая настройка возбудимости нейронов помочь вернуть аномальные мозговые цепи в нормальное состояние».

Ван и Цзя Лю, доцент Гарвардской школы инженерии и прикладных наук, являются старшими авторами статьи, опубликованной сегодня в журнале Science Advances .

Чанан Сесслер, аспирант химического факультета Массачусетского технологического института; Имин Чжоу, постдоктор в Институте Броуда; и Венбо Ван, аспирант Гарварда, являются ведущими авторами статьи.

Мембранные манипуляции

Оптогенетика — это инструмент, который ученые используют для манипулирования активностью нейронов, создавая нейроны для экспрессии светочувствительных ионных каналов. Когда эти искусственные нейроны подвергаются воздействию света, изменения в потоке ионов через каналы подавляют или усиливают активность нейронов.

«Используя свет, вы можете либо открывать, либо закрывать эти ионные каналы, что, в свою очередь, возбуждает или умолкает нейроны. Это позволяет быстро реагировать в режиме реального времени, но это означает, что если вы хотите контролировать эти нейроны, у вас есть постоянно освещать их», — говорит Сесслер.

Команда Массачусетского технологического института и Гарварда решила модифицировать эту технику, чтобы она могла вызывать более длительные изменения возбудимости, а не кратковременную активацию или подавление активности. Для этого они сосредоточились на изменении емкости клеточной мембраны, которая является ключевым фактором, определяющим способность мембраны проводить электричество.

Когда емкость клеточной мембраны увеличивается, нейроны становятся менее возбудимыми, то есть с меньшей вероятностью запускают потенциал действия в ответ на входные данные от других клеток. Когда емкость уменьшается, нейроны становятся более возбудимыми.

«Возбудимость нейронов определяется двумя свойствами мембраны: проводимостью и емкостью. Хотя многие исследования были сосредоточены на проводимости мембраны, осуществляемой ионными каналами, естественные процессы миелинизации предполагают, что модуляция емкости мембраны является еще одним эффективным способом настройки возбудимости нейронов во время развития мозга. обучение и старение. Итак, мы задались вопросом, можем ли мы настроить возбудимость нейронов, изменив емкость мембраны », — говорит Лю.

Работая постдоком в Стэнфордском университете, Лю и его коллеги показали, что они могут изменять возбудимость нейронов, заставляя их собирать проводящие или изолирующие полимеры в своих мембранах. В этом исследовании, опубликованном в 2020 году, Лю использовал фермент под названием пероксидаза для сборки полимеров. Однако такой подход не позволял точно контролировать места накопления полимеров. Это также представляло некоторый риск, поскольку для реакции требуется перекись водорода, которая может повредить клетки.

Чтобы преодолеть эти ограничения, лаборатория Лю в Гарварде объединилась с лабораторией Вана в Массачусетском технологическом институте, чтобы опробовать новый подход. Вместо пероксидазы исследователи использовали генетически модифицированный светочувствительный белок, который может катализировать образование полимеров.

Работая с нейронами, выращенными в лабораторной чашке, исследователи создали клетки для экспрессии этого светочувствительного белка, известного как miniSOG. При активации синими длинами волн света miniSOG производит высокореактивные молекулы, называемые активными формами кислорода. В то же время исследователи подвергают клетки воздействию строительных блоков либо из проводящего полимера, известного как PANI, либо из изолирующего полимера, известного как PDAB.

После нескольких минут воздействия света активные формы кислорода побуждают эти строительные блоки собираться либо в PDAB, либо в PANI.

Используя технику, известную как патч-кламп для целых клеток, исследователи обнаружили, что нейроны с проводящими полимерами PANI стали менее возбудимыми, в то время как нейроны с изолирующими полимерами PDAB стали более возбудимыми. Они также обнаружили, что более длительные световые воздействия вызывают более сильные сдвиги в возбудимости.

«Преимущество оптогенетической полимеризации заключается в точном временном контроле над реакцией полимеризации, что позволяет предсказуемую пошаговую настройку свойств мембраны», — говорит Чжоу.

Долгосрочные изменения

Исследователи показали, что изменения возбудимости продолжались до трех дней, то есть столько, сколько они могли поддерживать жизнь нейронов в своей лабораторной чашке. Сейчас они работают над адаптацией этого метода, чтобы его можно было использовать на срезах ткани мозга, а затем, как они надеются, на мозге животных, таких как мыши или червь C. elegans.

Исследователи говорят, что такие исследования на животных могут помочь пролить свет на то, как изменения в возбудимости нейронов влияют на такие заболевания, как рассеянный склероз и болезнь Альцгеймера.

«Если у нас есть определенная популяция нейронов, которая, как мы знаем, имеет более высокую или более низкую возбудимость при определенном заболевании, то мы потенциально можем модулировать эту популяцию, вводя мышам один из этих фотосенсибилизирующих белков, который экспрессируется только в этом типе нейронов, а затем посмотреть, будет ли это оказывает желаемое влияние на поведение», — говорит Вэньбо Ван. «В ближайшем будущем мы будем использовать его больше как модель для исследования этих заболеваний, но вы можете представить себе потенциальное терапевтическое применение».