Управление памятью при помощи света

Современные нейробиологи научились делать то, что еще 20-30 лет назад считалось областью фантастики. Они нашли способ, благодаря которому можно манипулировать активностью нейронов в мозге и таким образом влиять на память. При помощи определенных длин волн света ученые могут “включать” и “выключать” нейроны, то есть управлять клетками, из которых состоит мощнейший биологический “компьютер”.

Эта методика получила название оптогенетика. Давайте разберемся, как работает данная техника, и посмотрим, как ее используют для манипулирования памятью.

Времена до “чуда”

Наш мозг состоит из организованных в сложные сети 80 миллиардов нейронов — клеток, способных хранить, передавать, кодировать, принимать и обрабатывать информацию, а также налаживать “дружеские отношения” с другими клетками.

На протяжении долгого времени ученые искали способ, который помог бы им поочередно отключать отдельные части этой сложной нейронной системы, чтобы детально изучить их и в дальнейшем управлять процессами этой системы по своему усмотрению.

Но каждый раз специалисты сталкивались с множеством трудностей. Согласитесь, когда видишь, что каждая нейронная сеть по-своему определяет некую элементарную функцию, а взаимодействие этих сетей в разных зонах головного мозга обеспечивает сложную нервную деятельность, подчинить работу такой системы не просто.  

Фото: bioeng.psu.edu/ Подопытная мышь со встроенным в мозг оптоволокном для доставки света

Довольно долго о функциях мозга судили по тому, какие его зоны становятся активными при выполнении различного рода заданий, или по нарушениям, проявляющимся при повреждении его участков.

Например, необходимые результаты пытались получить во время экспериментов над животными, которым в мозг внедряли электроды для искусственного возбуждения тех или иных его участков или вводили специальное химическое вещество, способное избирательно тормозить работу определенных нейронов. Но ни один из этих методов не был идеален, все они имели свои недостатки: вживленные электроды возбуждали не только необходимые участки, но и окружающие их нервные клетки, а вещество действовало гораздо дольше, чем действуют естественные стимулы.   

Однако в 2005 году нейробиологи вздохнули с облегчением. Наконец-то миру явился совершенно новый метод исследования и активации нейронов — оптогенетика. Его предложил ученый из Стэнфордского университета Карл Дайзерот.

Что такое оптогенетика и как она работает

Итак, что же такое оптогенетика? Ученые дают следующее определение — это технология, которая объединяет оптику и генетику для тонкого контроля активности клеток возбудимых тканей (мышечные волокна, нейроны) посредством внедрения в их мембрану белков опсинов, реагирующих на свет. Для доставки белков используется генная инженерия, для последующей активации клеток — лазеры, оптоволокно и другая оптическая аппаратура.  

Чтобы нейрон стал светочувствительным, он должен иметь белок-рецептор света. Хороший пример нейронов, чувствительных к свету — клетки сетчатки глаза. Они содержат рецептор родопсин, состоящий из белка опсина и кофактора ретиналя — производного витамина А.

Фото: nkj.ru/ Состояния возбуждения и покоя нейрона определяются разницей в концентрации положительных ионов K+ Na+ внутри клетки и за ее пределами

Под действием света ретиналь меняет свою структуру и эти изменения передаются на белок, который активирует сигнальные пути нейрона, вызывающие его возбуждение. В состоянии покоя нейрон имеет отрицательный заряд: внутри клетки концентрация натрия и прочих положительных ионов мала. При возбуждении включаются ионные каналы в наружной мембране нейрона, закачивающие положительный натрий внутрь. Заряд внутри клетки становится положительным. В таком состоянии нейрон возбужден и готов передать сигнал остальным нейронам в сети.

Первые эксперименты по созданию нейронов, управляемых светом, начались еще в 2000-м году, и заключались в переносе в эти нейроны опсинов млекопитающих (ученые считали, что ген опсина приводит к синтезу светочувствительного белка). Но здесь научный мир постигла неудача: под действием света искусственные нейроны с родопсином активизировались нестабильно и очень медленно.

Правда, решение этой проблемы нашли довольно быстро: достаточно было обратить свой взгляд на природу.

Известно, что светочувствительными рецепторами обладают, например, одноклеточные водоросли. Их «зрение» также основано на работе родопсинов. Замечательное свойство этих белков заключается в том, что они не только воспринимают свет, но и сами играют роль ионных каналов и вызывают возбуждение клетки. Поэтому их принято называть канальными родопсинами. Оказалось, что эти белки работают гораздо стабильнее родопсинов млекопитающих. Нейроны, несущие их на своей поверхности, дают быстрый и четкий ответ на световое излучение.

Ученым из Стэнфордского университета потребовалось всего три года, чтобы успешно внедрить эти канальные родопсины в нейроны и начать контролировать их активность — так что к 2005 году самая ранняя форма оптогенетики уже была доступна научному миру.

Генная инженерия, или как доставить посылку до места назначения

Доставить ген родопсина в нейроны мозга не так легко. Это можно сделать либо поместив его в геном на стадии эмбриона, либо при помощи вируса.

Если воспользоваться первым способом, ген будет содержаться во всех клетках, но работать сможет только в тех, в которых будет активирован.   

При помощи второго способа результат достигается намного быстрее. В мозг пациента вводится вирус, содержащий ген родопсина. Вирус проникает в нейроны и происходит “накопление” светочувствительных белков. Вирусы, которые ученые используют для подобных целей, сильно изменены и запрограммированы не размножаться. Они эффективно проникают в клетки и нарабатывают в них родопсин, для организма эти вирусы безвредны.

Еще одна задача — доставка света к нейронам в мозге. В большинстве случаев родопсин активируется красным светом, поэтому проблема освещения мозга для ученых решилась сама собой. Красный свет хорошо проникает в ткани, и в ряде задач при его использовании удается отойти от внедрения в мозг оптоволокна. Источником такого света служат светодиоды или лазеры.

Фото: Gary Banker/ Нейрон, подготовленный для управления светом

Работа с памятью

При помощи оптогенетики специалисты научились включать/выключать нейроны, так что у ученых появилась возможность работать с областями мозга, ответственными за кратковременную и долговременную память.

Сочетание бездействующих и активных нейронов в мозге представляет собой воспоминание — воспроизведение определенной комбинации нейронов, то есть той, которая возникла в конкретное время в прошлом.

В 2012 году группа нейробиологов из Массачусетского технологического института смогла искусственно вызвать у мышей страх, создав в их мозге ложное воспоминание путем воздействия светом на ту часть памяти, которая ответственна за местоположение.

В центре внимания находилась реакция страха на электрический ток, возникающая в комнате, где животные когда-то испытали разряд.

Эксперимент проходил следующим образом. Ученые поместили всех мышей в комнату А, где те чувствовали себя спокойно. Каждый раз, когда грызунов переносили в комнату Б, их подвергали ударам слабого разряда электрического тока. При каждом переносе в комнату Б мыши испытывали страх даже в отсутствии удара током, так как их воспоминание об этом месте ассоциировалось с болью. Специалисты смогли сделать светочувствительными те нейроны в мозге мышей, которые активировались во время нахождения грызунов в комнате А. После чего экспериментаторы вызывали это воспоминание с помощью света во время удара электрическим током в комнате Б. В результате мыши стали бояться разряда тока в комнате, где его никогда не испытывали, в А.

Еще один пример, на этот раз ученым удалось получить обратный эффект — не создать воспоминание, а вернуть память.

В 2016 году доктору Кристин Денни и ее команде из Колумбийского Университета удалось восстановить утраченное воспоминание мышам, которые были  запрограммированны на генетическом уровне на болезнь Альцгеймера.

При помощи света нейробиологи стимулировали у животных разрушенные болезнью энграммные нейроны памяти. Несколько сеансов стимуляции позволили нейронам восстановиться, и к мышам вернулись утраченные воспоминания (мыши стали лучше справляться с тестами на память).

Что касается проведения опытов над памятью людей, то таких пока нет. Это обусловлено как этическими причинами, так и определенными сложностями: технология предполагает использование вирусов, а значит, требуются дополнительные исследования, чтобы доказать их полную безвредность для человека.

Подведем итог

Метод оптогенетики от “зародыша” до “созревания” развился очень быстро, всего за каких-то 13 лет. Хотя возвращение и “стирание” воспоминаний может показаться очень опасным, этот способ обладает огромным терапевтическим потенциалом для широкого спектра психоневрологических заболеваний.

Возможно, мы доживем до того момента, когда врачи будут за считанные минуты возвращать память своим пациентам, а также предотвращать ее потерю у пожилых людей. Это безусловно плюс данного метода.  

А минусом является то, что в будущем могут появиться устройства наподобие нейролизаторов, которые использовали герои фильма “Люди в черном”, чтобы “убрать память в глубину сознания”. В чьи руки такая технология может попасть, и как ее будут применять по отношению к обычному человеку, можно только догадываться.

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

Источник: zmescience.com, наука и жизнь

Всего комментариев: 0

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваш email не будет опубликован.

5 × 2 =

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: