Генетично конструиран протеин "Magneto" дистанционно контролира мозъка и поведението



Тороидалната магнитна камера (Tokamak) на Съвместния европейски торус (JET) в научния център Culham. Снимка: AFP / Getty Images

https://www.youtube.com/watch?v=iHTpJNSNFlc

Новият метод „Badass“ използва магнетизиран протеин, за да активира мозъчните клетки бързо, обратимо и неинвазивно

  Мо Костанди @ mocost Четвъртък, 24 март 2016 г., 14.30 ч. GMT

Изследователи от Съединените щати са разработили нов метод за управление на мозъчните вериги, свързани със сложно поведение на животните, като използват генно инженерство, за да създадат магнетизиран протеин, който активира специфични групи нервни клетки от разстояние.

Разбирането как мозъкът генерира поведение е една от крайните цели на неврологията - и един от най-трудните въпроси. През последните години изследователите са разработили редица методи, които им позволяват да контролират дистанционно определени групи неврони и да изследват работата на невронните вериги.

 

Най-мощният от тях е метод, наречен оптогенетика , който позволява на изследователите да включат или изключат популации от свързани неврони на милисекунда по милисекунда с импулси на лазерна светлина. Друг наскоро разработен метод, наречен хемогенетика , използва инженерни протеини, които се активират от дизайнерски лекарства и могат да бъдат насочени към специфични видове клетки.

Макар и мощни, и двата метода имат недостатъци. Оптогенетиката е инвазивна, изисква вмъкване на оптични влакна, които доставят светлинните импулси в мозъка и освен това степента, до която светлината прониква в плътната мозъчна тъкан е силно ограничена. Хемогенетичните подходи преодоляват и двете ограничения, но обикновено предизвикват биохимични реакции, които отнемат няколко секунди, за да активират нервните клетки.

  Дистанционно управление на мозъчната дейност с нагрети наночастици Прочетете още

Новата техника, разработена в лабораторията на Али Гюлер в Университета на Вирджиния в Шарлотсвил и описана в предварителна онлайн публикация в списание Nature Neuroscience , е не само неинвазивна, но също така може да активира невроните бързо и обратимо.

Няколко по-ранни проучвания показват, че протеините на нервните клетки, които се активират от топлина и механично налягане, могат да бъдат генетично конструирани, така че да станат чувствителни към радиовълните и магнитните полета , чрез прикрепването им към съхраняващия желязо протеин, наречен феритин, или към неорганични парамагнитни частици . Тези методи представляват важен напредък - например те вече са били използвани за регулиране на нивата на кръвната захар при мишки , но включват множество компоненти, които трябва да бъдат въведени отделно.

Новата техника се основава на тази по-ранна работа и се основава на протеин, наречен TRPV4, който е чувствителен както към температурата, така и към силите на разтягане . Тези стимули отварят централната му пора, позволявайки на електрическия ток да тече през клетъчната мембрана; това предизвиква нервни импулси, които преминават в гръбначния мозък, а след това нагоре към мозъка.

Реклама

Гюлер и колегите му разсъждават, че магнитният въртящ момент (или въртящите се) сили могат да активират TRPV4, като дръпнат централната му пора и затова използват генно инженерство за сливане на протеина с парамагнитната област на феритина, заедно с къси ДНК последователности, които сигнализират на клетките да се транспортират протеини към мембраната на нервните клетки и ги вмъкнете в нея.

In vivo манипулация на поведението на данио, използвайки Magneto. Ларвите на зебрата проявяват навиване в отговор на локализираните магнитни полета. От Wheeler et al (2016).

Когато въведоха тази генетична конструкция в човешки ембрионални бъбречни клетки, растящи в чашките на Петри, клетките синтезираха протеина „Magneto“ и го вкараха в мембраната си. Прилагането на магнитно поле активира инженерния протеин TRPV1, както се вижда от преходни увеличения на концентрацията на калциеви йони в клетките, които бяха открити с флуоресцентен микроскоп.

След това изследователите вмъкват последователността Magneto DNA в генома на вирус, заедно с гена, кодиращ зеления флуоресцентен протеин, и регулаторните ДНК последователности, които карат конструкцията да се експресира само в определени типове неврони. След това те инжектирали вируса в мозъка на мишките, насочвайки енторхиналната кора и разрязвали мозъка на животните, за да идентифицират клетките, излъчващи зелена флуоресценция. След това с помощта на микроелектроди те показаха, че прилагането на магнитно поле към мозъчните резени активира Магнето, така че клетките да произвеждат нервни импулси.

За да се определи дали Magneto може да се използва за манипулиране на невронната активност при живи животни, те инжектираха Magneto в ларви на данио, насочвайки невроните в багажника и опашката, които обикновено контролират реакцията на бягство. След това те поставиха ларвите на зебрата в специално построен магнетизиран аквариум и установиха, че излагането на магнитно поле, индуцирано от манипулации на навиване, подобно на тези, които се появяват по време на реакцията на бягство. (Този експеримент включваше общо девет ларви на данио и последващи анализи разкриха, че всяка ларва съдържа около 5 неврона, експресиращи Магнето.)

  Изследователите четат и пишат мозъчна дейност със светлина Прочетете още

В един последен експеримент изследователите инжектират Magneto в стриатума на свободно поведени мишки, дълбока мозъчна структура, съдържаща произвеждащи допамин неврони, които участват в наградата и мотивацията, и след това поставят животните в апарат, разделен на магнетизирани немагнетизирани участъци . Мишките, експресиращи Magneto, прекарват много повече време в магнетизираните зони, отколкото мишките, които не го правят, тъй като активирането на протеина кара стриаталните неврони, които го експресират, да освобождават допамин, така че мишките, намиращи се в тези зони, са полезни. Това показва, че Magneto може дистанционно да контролира стрелбата на неврони дълбоко в мозъка и също така да контролира сложното поведение.

Реклама

Неврологът Стив Рамирес от Харвардския университет, който използва оптогенетиката, за да манипулира спомените в мозъка на мишките, казва, че изследването е " лошо ".

„Предишните опити [с помощта на магнити за контрол на невроналната активност] се нуждаеха от множество компоненти, за да може системата да работи - инжектиране на магнитни частици, инжектиране на вирус, който изразява топлинно чувствителен канал, или] фиксиране на главата на животното, така че намотката да предизвика промени в магнетизма “, обяснява той. „Проблемът с наличието на многокомпонентна система е, че има толкова много място за всяко отделно парче да се разпадне.“

„Тази система е единствен, елегантен вирус, който може да се инжектира навсякъде в мозъка, което прави технически по-лесно и по-малко вероятно да се развалят подвижни камбани“, добавя той, „а тяхното поведенческо оборудване е хитро проектирано да съдържа магнити където е подходящо, за да могат животните да се движат свободно. "

Следователно „магнитогенетиката“ е важно допълнение към инструментариума на невролозите, което несъмнено ще бъде доразвито и ще предостави на изследователите нови начини за изучаване на развитието и функционирането на мозъка.