Нейроны в мозге «общаются» между собой посредством быстрых электрических импульсов, которые позволяют мозгу координировать движения, ощущения, мысли и эмоции. Изучая мозг, учёные чаще всего отслеживают эту электрическую активность. Сигналы, которые передают друг другу нейроны, ловят при помощи электродов. Однако такой метод довольно сложен и часто небезопасен (например, электроды подключают пациентам с эпилепсией во время хирургических операций), да и анализ получаемых данных отнимает много времени.
Исследователи из Массачусетского технологического института (США) представили новый подход к измерению электрической активности в мозге, который, по их мнению, намного проще и, что самое главное, он будет информативнее.
Они предлагают использовать светочувствительный белок, который можно встраивать в мембраны нейронов. Он будет излучать флуоресцентный сигнал, указывающий, какое электрическое напряжение в той или иной клетке мозга. Это позволит понять, как ведут себя нейроны в те миллисекунды, когда мозг выполняет определённую функцию.
Автор исследования Эдвард Бойден (Edward Boyden) поясняет, что существующий метод, который предполагает подключение электродов к мозгу, можно сравнить с попыткой расшифровать телефонный разговор, слушая при этом только одного человека. А новый метод позволяет регистрировать нейронную активность множества клеток нейронной цепи и «слышать» их все.
Попытки контролировать электрическую активность в мозге посредством визуализации предпринимаются уже два десятилетия. Сложнее всего найти флуоресцентные молекулы, которые помогут получить такого рода изображения. Дело в том, что нужные белки не только должны светиться сами, они должны быть чувствительными к свету. Кроме того, от них также требуется быстро реагировать на изменения и быть устойчивыми к фотообесцвечиванию (то есть разрушению под воздействием света).
Бойден и его коллеги придумали оригинальный метод поиска молекулы, которая отвечала бы всем этим требованиям. Они сконструировали робота, основой которого является микроскоп. Техника проверяет миллионы белков, генерируемых в процессе под названием направленная эволюция (это одна из основных стратегий белковой инженерии). Робот проводит «кастинг» и отбирает молекулы по заданным критериям.
«Вы берёте ген, затем делаете миллионы и миллионы мутантных генов, и, наконец, выбираете те, которые работают лучше всего. Так эволюция работает в природе, но теперь мы делаем это и в лаборатории с роботами, чтобы можно было выбрать гены со свойствами, которые нам нужны», — поясняет Эдвард Бойден.
В ходе работы исследователи получили при помощи мутантных генов полтора миллиона версий светочувствительного белка под названием QuasAr2. Отмечается, что каждый из этих генов внедряли в клетки млекопитающих (один «мутант» на клетку), затем выращивали клетки в лабораторных условиях и использовали микроскоп для съёмки клеток. С помощью робота авторы идентифицировали клетки с белками, которые отвечали всем заданным параметрам.
Важно, что такой метод позволял сразу же оценивать положение белка в клетке (это принципиально для дальнейшей работы), а также его яркость.
Учёные отобрали пятёрку самых подходящих кандидатов и провели ещё один «раунд» мутаций, в результате получив ещё восемь миллионов новых претендентов. Из них робот выбрал семёрку лучших, а затем учёные определили «победителя». Им оказался белок, получивший название Archon1, который (после внедрения соответствующего гена) располагался в клеточной мембране, а это лучшее место для точного измерения напряжения в клетке, говорят специалисты.
Далее команда использовала этот белок, чтобы измерить электрическую активность в мозговой ткани мышей, а также мозговых клетках личинок рыбок данио-рерио и круглого червя вида Caenorhabditis elegans. Последние два модельных организма являются прозрачными, поэтому визуализировать данные было намного проще.
Авторы поясняют: когда модифицированные клетки подвергаются воздействию света определённой длины волны (в данном случае красновато-оранжевого), так называемый белковый датчик излучает более длинную волну красного света, а его яркость соответствует напряжению в клетке в данный момент времени.
Исследователи также показали, что Archon1 можно использовать в сочетании со светочувствительными белками, которые обычно используются для выключения или, наоборот, стимуляции активности нейронов. Но это при условии, что они реагируют на свет, отличный от красного.
Например, в экспериментах с нематодами учёные продемонстрировали, что они могут стимулировать один нейрон, используя синий свет, а затем использовать Archon1 для измерения эффекта в нейронах, которые получают импульс от первого.
Пока что команда продолжает проверять возможности новой технологии на тканях мозга мышей, поскольку у них этот орган может работать в режиме многозадачности. Авторы хотят отследить активность нейронных цепей и понять, как они формируют то или иное чувство или мысль.
Статья с более подробным описанием нового метода визуализации мозговой активности опубликована в издании Nature Chemical Biology и доступна в формате PDF.
Напомним, что изучать работу нейронов очень важно: это даёт ключ к пониманию природы многих болезней и нарушений или же, к примеру, позволяет выявлять творческих гениев.
Более того, последние исследования показывают, что вековые представления о работе нейронов мозга оказались ошибочными.
