Toroidalna komora magnetyczna (tokamak) Joint European Torus (JET) w Centrum Naukowym Culham. Fot: AFP/Getty Images
Nowa metoda „Badass” wykorzystuje namagnesowane białko do szybkiej, odwracalnej i nieinwazyjnej aktywacji komórek mózgowych. Naukowcy ze Stanów Zjednoczonych opracowali nową metodę kontrolowania obwodów mózgowych związanych ze złożonymi zachowaniami zwierząt, wykorzystując inżynierię genetyczną do stworzenia namagnesowanego białka, które aktywuje określone grupy komórek nerwowych z odległości.
Zrozumienie, w jaki sposób mózg generuje zachowania, jest jednym z najważniejszych celów neuronauki – i jednym z jej najtrudniejszych pytań. W ostatnich latach naukowcy opracowali wiele metod, które pozwalają im zdalnie kontrolować określone grupy neuronów i badać działanie obwodów neuronalnych.
Najpotężniejszą z nich jest metoda zwana optogenetyką, która umożliwia naukowcom włączanie lub wyłączanie populacji powiązanych ze sobą neuronów w milisekundowej skali czasowej za pomocą impulsów światła laserowego. Inna niedawno opracowana metoda, zwana chemogenetyką, wykorzystuje zmodyfikowane białka, które są aktywowane przez zaprojektowane leki i mogą być kierowane do określonych typów komórek. Chociaż są to metody potężne, obie mają wady. Optogenetyka jest inwazyjna, wymaga wprowadzenia włókien optycznych, które dostarczają impulsy świetlne do mózgu, a ponadto zakres, w jakim światło przenika przez gęstą tkankę mózgową, jest poważnie ograniczony. Podejścia chemogenetyczne pokonują oba te ograniczenia, ale zazwyczaj wywołują reakcje biochemiczne, które trwają kilka sekund, aby aktywować komórki nerwowe.
Nowa technika, opracowana w laboratorium Ali Gülera na Uniwersytecie Wirginii w Charlottesville i opisana w publikacji online w czasopiśmie Nature Neuroscience, jest nie tylko nieinwazyjna, ale może również szybko i odwracalnie aktywować neurony.
Kilka wcześniejszych badań wykazało, że białka komórek nerwowych, które są aktywowane przez ciepło i nacisk mechaniczny, mogą być genetycznie zmodyfikowane tak, aby stały się wrażliwe na fale radiowe i pola magnetyczne, poprzez dołączenie ich do białka przechowującego żelazo, zwanego ferrytyną, lub do nieorganicznych cząstek paramagnetycznych. Metody te stanowią istotny postęp – zostały już na przykład wykorzystane do regulowania poziomu glukozy we krwi u myszy – ale obejmują wiele składników, które muszą być wprowadzane oddzielnie.
Nowa technika opiera się na tych wcześniejszych pracach i bazuje na białku zwanym TRPV4, które jest wrażliwe zarówno na temperaturę, jak i na siły rozciągające. Bodźce te otwierają jego centralny por, pozwalając na przepływ prądu elektrycznego przez błonę komórkową; wywołuje to impulsy nerwowe, które wędrują do rdzenia kręgowego, a następnie do mózgu.
Güler i jego koledzy doszli do wniosku, że siły momentu magnetycznego (lub rotacji) mogą aktywować TRPV4 poprzez otwarcie jego centralnego pora, dlatego też wykorzystali inżynierię genetyczną do połączenia białka z paramagnetycznym regionem ferrytyny, wraz z krótkimi sekwencjami DNA, które sygnalizują komórkom transport białek do błony komórki nerwowej i wprowadzenie ich do niej.
Manipulacja in vivo zachowaniem zebrafish przy użyciu Magneto. Larwy Zebrafish wykazują zachowanie zwijania się w odpowiedzi na zlokalizowane pola magnetyczne.
Kiedy wprowadzili tę konstrukcję genetyczną do ludzkich embrionalnych komórek nerki rosnących na płytkach Petriego, komórki syntetyzowały białko „Magneto” i wprowadzały je do swojej błony. Przyłożenie pola magnetycznego aktywowało zmodyfikowane białko TRPV1, o czym świadczyły przejściowe wzrosty stężenia jonów wapnia w komórkach, które wykrywano za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego. Następnie badacze wprowadzili sekwencję DNA Magneto do genomu wirusa, wraz z genem kodującym białko zielonej fluorescencji oraz regulacyjnymi sekwencjami DNA, które powodują, że konstrukt ulega ekspresji tylko w określonych typach neuronów. Następnie wstrzyknęli wirusa do mózgu myszy, celując w korę entorhinalną, i dokonali sekcji mózgu zwierzęcia, aby zidentyfikować komórki, które emitowały zieloną fluorescencję. Używając mikroelektrod, wykazali, że przyłożenie pola magnetycznego do skrawków mózgu aktywowało Magneto tak, że komórki wytwarzały impulsy nerwowe.
Aby ustalić, czy Magneto może być używane do manipulowania aktywnością neuronów u żywych zwierząt, wstrzyknęli Magneto larwom ryb, celując w neurony w tułowiu i ogonie, które normalnie kontrolują reakcję ucieczki. Następnie umieścili larwy w specjalnie zbudowanym namagnesowanym akwarium i odkryli, że ekspozycja na pole magnetyczne wywołała manewry zwijania podobne do tych, które występują podczas reakcji ucieczki. (Ten eksperyment obejmował w sumie dziewięć larw, a późniejsze analizy ujawniły, że każda larwa zawierała około 5 neuronów wykazujących ekspresję Magneto).
W jednym z ostatnich eksperymentów badacze wstrzyknęli Magneto do striatum swobodnie zachowujących się myszy, głębokiej struktury mózgu zawierającej neurony produkujące dopaminę, które są zaangażowane w nagradzanie i motywację, a następnie umieścili zwierzęta w aparacie podzielonym na sekcje namagnesowane i nienamagnesowane. Myszy wykazujące ekspresję Magneto spędzały znacznie więcej czasu w namagnesowanych obszarach niż myszy, które tego nie robiły, ponieważ aktywacja białka spowodowała, że wyrażające je neurony striatalne uwalniały dopaminę, tak że myszy uznały przebywanie w tych obszarach za satysfakcjonujące. Pokazuje to, że Magneto może zdalnie kontrolować odpalanie neuronów głęboko w mózgu, a także kontrolować złożone zachowania.
Neurobiolog Steve Ramirez z Uniwersytetu Harvarda, który wykorzystuje optogenetykę do manipulowania wspomnieniami w mózgach myszy, mówi, że badanie jest „badass„.
'Magnetogenetyka’ jest zatem ważnym dodatkiem do skrzynki narzędziowej neurobiologów, która bez wątpienia będzie dalej rozwijana i zapewni badaczom nowe sposoby badania rozwoju i funkcji mózgu.
