Основываясь на этой технике, исследователи Массачусетского технологического института и Гарвардского университета теперь разработали способ добиться долгосрочных изменений в активности нейронов. С помощью своей новой стратегии они могут использовать воздействие света для изменения электрической емкости мембран нейронов, что изменяет их возбудимость (насколько сильно или слабо они реагируют на электрические и физиологические сигналы).

Изменения в возбудимости нейронов были связаны со многими процессами в головном мозге, включая обучение и старение, а также наблюдались при некоторых заболеваниях головного мозга, включая болезнь Альцгеймера.

"Этот новый инструмент предназначен для настройки возбудимости нейронов вверх и вниз контролируемым светом и долгосрочным образом, что позволит ученым напрямую установить причинно-следственную связь между возбудимостью различных типов нейронов и поведением животных", - говорит Сяо Ван, доцент кафедры химии Томаса Д. и Вирджинии Кэбот в Массачусетский технологический институт и член Широкого института Массачусетского технологического института и Гарварда. "Будущее применение нашего подхода в моделях заболеваний покажет, может ли тонкая настройка возбудимости нейронов помочь вернуть аномальные мозговые цепи в нормальное состояние".

Ван и Цзя Лю, доценты Гарвардской школы инженерных и прикладных наук, являются старшими авторами статьи, которая появляется сегодня в Научные достижения.

Чанан Сесслер, аспирант Массачусетского технологического института на химическом факультете; Имин Чжоу, постдок Института Брода; и Вэньбо Ван, аспирант Гарварда, являются ведущими авторами статьи.

Манипуляция с мембраной

Оптогенетика - это инструмент, который ученые используют для управления активностью нейронов, конструируя их для экспрессии светочувствительных ионных каналов. Когда эти сконструированные нейроны подвергаются воздействию света, изменения в потоке ионов по каналам подавляют или усиливают активность нейронов.

"Используя свет, вы можете либо открыть, либо закрыть эти ионные каналы, а это, в свою очередь, возбудит или заставит замолчать нейроны. Это обеспечивает быструю реакцию в режиме реального времени, но это означает, что если вы хотите контролировать эти нейроны, вы должны постоянно их освещать", - говорит Сесслер.

Команда Массачусетского технологического института и Гарварда решила модифицировать методику таким образом, чтобы они могли генерировать более длительные изменения возбудимости, а не кратковременную активацию или подавление активности. Чтобы сделать это, они сосредоточились на изменении емкости клеточной мембраны, которая является ключевым фактором, определяющим способность мембраны проводить электричество.

Когда емкость клеточной мембраны увеличивается, нейроны становятся менее возбудимыми, то есть с меньшей вероятностью задействуют потенциал действия в ответ на входные данные от других клеток. Когда емкость уменьшается, нейроны становятся более возбудимыми.

"Возбудимость нейронов определяется двумя свойствами мембраны: проводимостью и емкостью. В то время как многие исследования были сосредоточены на мембранной проводимости, обеспечиваемой ионными каналами, естественные процессы миелинизации предполагают, что модуляция мембранной емкости является еще одним эффективным способом настройки возбудимости нейронов во время развития мозга, обучения и старения. Итак, мы задались вопросом, можем ли мы настроить возбудимость нейронов, изменяя емкость мембраны", - говорит Лю.

Будучи постдоком в Стэнфордском университете, Лю и его коллеги показали, что они могут изменять возбудимость нейронов, заставляя их собирать либо проводящие, либо изолирующие полимеры в своих мембранах. В этом исследовании, опубликованном в 2020 году, Лю использовал фермент под названием пероксидаза для сборки полимеров. Однако такой подход не позволял точно контролировать, где накапливаются полимеры. Это также представляло некоторый риск, поскольку для реакции требуется перекись водорода, которая может повредить клетки.

Чтобы преодолеть эти ограничения, лаборатория Лю в Гарварде объединилась с лабораторией Вана в Массачусетском технологическом институте, чтобы попробовать новый подход. Вместо использования пероксидазы исследователи использовали генетически модифицированный светочувствительный белок, который может катализировать образование полимеров.

Работая с нейронами, выращенными в лабораторной чашке, исследователи сконструировали клетки так, чтобы они экспрессировали этот светочувствительный белок, известный как miniSOG. При активации синими длинами волн света miniSOG производит высокореактивные молекулы, называемые активными формами кислорода. В то же время исследователи подвергают клетки воздействию строительных блоков либо проводящего полимера, известного как PANI, либо изолирующего полимера, известного как PDAB.

После нескольких минут воздействия света активные формы кислорода побуждают эти строительные блоки собираться либо в PDAB, либо в PANI.

Используя метод, известный как цельный клеточный патч-зажим, исследователи обнаружили, что нейроны с проводящими полимерами PANI стали менее возбудимыми, в то время как нейроны с изолирующими полимерами PDAB стали более возбудимыми. Они также обнаружили, что более длительное воздействие света приводит к большим сдвигам в возбудимости.

"Преимущество оптогенетической полимеризации заключается в точном временном контроле реакции полимеризации, что позволяет предсказуемо поэтапно настраивать свойства мембраны", - говорит Чжоу.

Долговременные изменения

Исследователи показали, что изменения в возбудимости продолжались до трех дней, то есть столько, сколько они могли поддерживать нейроны живыми в своей лабораторной чашке. Сейчас они работают над адаптацией этой техники, чтобы ее можно было использовать в срезах мозговой ткани, а затем, как они надеются, в мозге животных, таких как мыши или червь C. elegans.

По словам исследователей, такие исследования на животных могли бы помочь пролить свет на то, как изменения в возбудимости нейронов влияют на такие расстройства, как рассеянный склероз и болезнь Альцгеймера.

"Если у нас есть определенная популяция нейронов, которая, как мы знаем, обладает более высокой или более низкой возбудимостью при определенном заболевании, то мы потенциально можем модулировать эту популяцию, трансдуцируя мышам один из этих фотосенсибилизирующих белков, который экспрессируется только в этом типе нейронов, а затем посмотреть, оказывает ли это желаемый эффект на поведение", - говорит Венбо. Ван говорит. "В ближайшем будущем мы будем использовать его больше в качестве модели для исследования этих заболеваний, но вы могли бы представить себе потенциальные терапевтические применения".

Исследование финансировалось Программой стипендиатов Сирла, Центром психиатрических исследований Стэнли при Институте Брода, Программой молодых исследователей Управления научных исследований ВВС, Национальным научным фондом через Научно-технический центр исследования материалов Гарвардского университета и Конкурсным фондом перспективных стипендий декана Гарварда.