На дистанционном управлении

Чтобы узнать функцию нейрона, нейронной цепочки или целого мозгового центра, можно принудительно активировать нейрон (или группу нейронов) и посмотреть, как изменится поведение животного. Или наоборот – можно принудительно подавить активность нервных клеток: когда нейроны молчат, когда какая-то нервная цепь неактивна, это тоже сказывается на том, как животное себя ведёт. Чтобы включать и выключать нейроны, у нейробиологов есть мощный инструмент – оптогенетические методы.



Вкратце суть оптогенетики такова: в геном мыши (или крысы) вносят определённые изменения, так, чтобы некоторые нервные клетки можно было активировать или усыпить световой вспышкой. (Для этого нейроны получают ген флуоресцентного белка, который способен ловить световые волны; сам флуоресцентный белок связан с молекулярным аппаратом клетки, который генерирует электрохимический импульс на мембране нейрона.) Затем в мозг такой мыши поблизости с модифицированными нейронами внедряют тончайшие светодиоды. Мышь остаётся живой и более-менее нормально себя чувствует, разве что на голове у неё находится особая конструкция, удерживающая оптоволокно, которой идёт вглубь мозга. Теперь остаётся только включать и выключать свет и наблюдать, как мышь будет себя вести – захочется ли ей пить, улучшится ли у неё память и т. д.

Проблема тут в том, что оптоволокно тянется к специальному аппарату, который управляет световыми вспышками и заодно регистрирует работу нейронов. Мышь остаётся на привязи, и это во многих отношениях ограничивает её поведение. Например, трудно изучать какие-то социальные навыки, когда животные активно не взаимодействуют друг с другом. Было бы намного лучше, если бы светодиодный аппарат можно было контролировать дистанционно, без проводов.

Именно такой беспроводной оптогенетический аппарат описывают в Nature Neuroscience сотрудники Северо-Западного университета. Их устройство управляется высокочастотными радиоволнами, которые генерируют световые вспышки нужного количества, продолжительности и интенсивности. Более того, новый аппарат позволяет генерировать вспышки четырёх разных длин волн – зелёного, синего, жёлтого и красного цвета. То есть одновременно у одной мыши или крысы можно управлять сразу четырьмя нейронными цепями, если только сделать так, чтобы нейроны этих цепей реагировали на четыре цвета. Наконец, новый аппарат обходится без батареек – его питают те же радиоволны, которые управляют световыми импульсами.

Эксперимент ставили сразу с двумя–тремя мышами, у которых светодиоды шли к определённым нейронам префронтальной коры. От префронтальной коры зависят самые сложные когнитивные функции, и влияние её на поведение более чем велико. Оказалось, что если у разных мышей синхронизировать работу нейронов в префронтальной коре, если нейроны будут работать в одном ритме, то такие мыши начнут больше общаться друг с другом, начнут чаще обнюхиваться и чаще чистить шерсть друг другу. Нейробиологи и раньше говорили о том, что синхронизация мозга у разных индивидуумов заставляет больше взаимодействовать друг с другом. Но сейчас, с помощью беспроводного оптогенетического устройства, которое никак не ограничивает поведение подопытных животных, здесь удалось показать прямую связь.

Этот усовершенствованный аппарат не только позволит узнать какие-то новые вещи о мозге. Его можно использовать и в медицине. Например, подавая импульс в строго определённую нейронную цепь, можно вовремя смягчить депрессию – человек сможет сам следить за состоянием собственного мозга, будучи свободен в перемещениях.

https://www.nature.com/articles/s41593-021-00849-x
https://www.sciencenews.org/article/opt ... mice-light