Генетически модифицированный белок Magneto дистанционно контролирует мозг и поведение
«Крутой» новый метод использует намагниченный белок для быстрой, обратимой и неинвазивной активации клеток мозга.
Тороидальная магнитная камера (Tokamak) Joint European Torus (JET) в Culham Science Center. Фотография: AFP / Getty Images
Генетически модифицированный белок Magneto дистанционно контролирует мозг и поведение
«Крутой» новый метод использует намагниченный белок для быстрой, обратимой и неинвазивной активации клеток мозга.
Мо Костанди
24 марта 2016 г.
Исследователи в Соединенных Штатах разработали новый метод управления электросетями мозга, связанными со сложным поведением животных, используя генную инженерию для создания намагниченного белка, который активирует определенные группы нервных клеток на расстоянии.
Понимание того, как мозг формирует поведение, - одна из конечных целей нейробиологии и один из самых сложных вопросов. В последние годы исследователи разработали ряд методов, которые позволяют им удаленно управлять определенными группами нейронов и исследовать работу нейронных цепей.
Самым мощным из них является метод, называемый оптогенетикой, который позволяет исследователям включать и выключать популяции связанных нейронов в масштабе времени миллисекунды за миллисекундами с помощью импульсов лазерного света. Другой недавно разработанный метод, называемый химогенетикой, использует синтетические белки, которые активируются специально созданными агентами и могут быть нацелены на определенные типы клеток.
Несмотря на свою мощь, оба эти метода имеют недостатки. Оптогенетика является инвазивной и требует введения оптических волокон, которые доставляют световые импульсы в мозг, и, кроме того, степень проникновения света в плотную ткань мозга весьма ограничена. Химогенетические подходы свободны от этих ограничения, но обычно вызывают биохимические реакции, которые требуют нескольких секунд для активации нервных клеток.
Новый метод, разработанный в лаборатории Али Гюлера в Университете Вирджинии в Шарлоттсвилле и описанный в предварительной публикации в журнале Nature Neuroscience, не только неинвазивен, но также может быстро и обратимо активировать нейроны.
Несколько более ранних исследований показали, что белки нервных клеток, которые активируются теплом и механическим давлением, могут быть генетически сконструированы так, чтобы они стали чувствительны к радиоволнам и магнитным полям, путем присоединения их к ферритину, запасающему железо, или к неорганическим парамагнитным частицам. Эти методы важны и полезны - они, например, уже использовались для регулирования уровня глюкозы в крови у мышей, - но включают в себя несколько компонентов, которые необходимо вводить отдельно.
Новый метод основан на белке TRPV4, который чувствителен как к температуре, так и к силам растяжения. Эти стимулы открывают его центральную пору, позволяя электрическому току проходить через клеточную мембрану; это вызывает нервные импульсы, которые проходят в спинной мозг, а затем в головной мозг.
Гюлер и его коллеги предположили, что силы магнитного момента (или силы вращения) могут активировать TRPV4, открывая его центральную пору, и поэтому они использовали генную инженерию для слияния белка с парамагнитной областью ферритина вместе с короткими последовательностями ДНК, которые сигнализируют клеткам о переносе белка к мембране нервной клетки и встраивают их в нее.
Когда они ввели эту генетическую конструкцию в клетки эмбриональной почки человека, растущие в чашках Петри, клетки синтезировали белок «Магнето» и вставили его в свою мембрану. Наведение магнитного поля активировало сконструированный белок TRPV1, о чем свидетельствует временное увеличение концентрации ионов кальция в клетках, которое было обнаружено с помощью флуоресцентного микроскопа.
Затем исследователи вставили последовательность ДНК Магнето в геном вируса вместе с геном, кодирующим зеленый флуоресцентный белок, и регуляторными последовательностями ДНК, которые вызывают экспрессию конструкции только в определенных типах нейронов. Затем они ввели вирус в мозг мышей, нацелив его на энторинальную кору, и препарировали мозг животных, чтобы идентифицировать клетки, излучающие зеленую флуоресценцию. Затем с помощью микроэлектродов они показали, что приложение магнитного поля к срезам мозга активирует Магнето, так что клетки производят нервные импульсы.
Чтобы определить, можно ли использовать Magneto для управления нейрональной активностью у живых животных, они вводили Magneto личинкам рыбок данио, нацеливаясь на нейроны в туловище и хвосте, которые обычно контролируют реакцию бегства. Затем они поместили личинок рыбок данио в специально построенный намагниченный аквариум и обнаружили, что воздействие магнитного поля вызывает маневры наматывания, аналогичные тем, которые происходят во время реакции на побег. (В этом эксперименте участвовало всего девять личинок рыбок данио, и последующий анализ показал, что каждая личинка содержала около 5 нейронов, экспрессирующих Магнето.)
В одном заключительном эксперименте исследователи вводили Магнето в полосатое тело (striatum) свободно ведущих себя мышей, глубокую структуру мозга, содержащую нейроны, продуцирующие дофамин, которые участвуют в поощрении и мотивации, а затем поместили животных в устройство, разделенное на намагниченные и немагнитные участки. Мыши, экспрессирующие Magneto, проводили гораздо больше времени в намагниченных областях, чем мыши, которые этого не делали, потому что активация белка заставляла экспрессирующие его стриатальные нейроны высвобождать дофамин, так что мыши, находящиеся в этих областях чувствовали более удобным. Это показывает, что Магнето может удаленно управлять возбуждением нейронов глубоко внутри мозга, а также управлять сложным поведением.
Нейробиолог Стив Рамирес из Гарвардского университета, который использует оптогенетику для манипулирования воспоминаниями в мозгу мышей, считает это исследование «крутым».
«Предыдущие попытки [использования магнитов для управления нейронной активностью] требовали нескольких компонентов для работы системы - введение магнитных частиц, введение вируса, который экспрессирует термочувствительный канал, [или] фиксация головы животного, чтобы катушка могла вызвать изменения. в магнетизме», - объясняет он. «Проблема с наличием многокомпонентной системы заключается в том, что у каждой отдельной детали есть много места, чтобы сломаться».
«Эта система представляет собой единый элегантный вирус, который можно ввести в любой участок мозга, что технически упрощает и снижает вероятность выхода из строя сбалансированную динамику среды», - добавляет он, - «а их поведенческое оборудование было продумано так, чтобы удерживать магниты. там, где это необходимо, чтобы животные могли свободно перемещаться».
Таким образом, «магнитогенетика» является важным дополнением к инструментарию нейробиологов, который, несомненно, получит дальнейшее развитие и предоставит исследователям новые способы изучения развития и функционирования мозга.
Ссылка
Уиллер, М.А. и др . (2016). Генетически направленный магнитный контроль нервной системы. Nat. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265 [ Аннотация ]
Оригинал статьи:
Ссылка на видео: https://youtu.be/iHTpJNSNFlc
Манипуляции с поведением рыбок данио in vivo с помощью Magneto. Личинки рыбок данио демонстрируют скручивающееся движение в ответ на локализованные магнитные поля. Из Уиллера и др. (2016).
Предыдущий
