Ученые нашли новый способ управлять мозгом с помощью света. Никакой операции не требуется

Если бы мне пришлось поставить деньги на нейротехнологию, которая получит Нобелевскую премию, это была бы оптогенетика.

Технология использует свет различных частот для управления мозгом. Это блестящее слияние фундаментальной нейробиологии и инженерии, которое захватывает механизм, лежащий в основе того, как нейроны естественным образом активируются в мозге.

Благодаря оптогенетике всего за десять лет мы смогли искусственно вызывать воспоминания у мышей, расшифровывать сигналы мозга, вызывающие боль, распутывать нейронный код зависимости, обращать вспять депрессию, восстанавливать рудиментарное зрение у ослепших мышей и заменять ужасные воспоминания счастливыми. Оптогенетика сродни универсальному языку программирования для мозга.

Недостатки оптогенетики

Но у нее есть два серьезных недостатка: она требует генной терапии, и нужна операция на мозге, чтобы имплантировать оптические волокна в мозг.

Но наметились позитивные сдвиги. Команда доктора Карла Дейссерота из Стэнфордского университета в сотрудничестве с Университетом Миннесоты представила обновленную версию оптогенетики, которая контролирует поведение без необходимости хирургического вмешательства и вживления имплантантов.

Скорее, система пропускает свет через черепа мышей, и он проникает глубоко в мозг. С помощью световых импульсов команда смогла изменить вероятность возникновения судорог у мыши или перепрограммировать ее мозг так, чтобы она предпочитала социальную компанию.

Чтобы быть ясным: мы далеки от ученых, контролирующих ваш мозг с помощью фонариков. Ключом к оптогенетике является генная инженерия, без нее нейроны (в том числе и ваши) естественным образом не реагируют на свет.

Превращение мощной исследовательской технологии в клиническую терапию

Однако, забегая вперед, можно сказать, что это исследование - верный шаг к превращению мощной исследовательской технологии в клиническую терапию, которая потенциально может помочь людям с неврологическими проблемами, такими как депрессия или эпилепсия. Мы все еще далеки от этого видения, но исследование предполагает, что это научная фантастика потенциально в пределах досягаемости.

Как работает мозг?

Чтобы понять оптогенетику, нам нужно немного глубже разобраться в том, как работает мозг.

По существу, нейроны работают на электричестве с дополнительной примесью химии. Клетка мозга подобна живому контейнеру с дверцами, называемыми ионными каналами, которые отделяют ее внутреннюю среду от внешней. Когда нейрон получает информацию, и она достаточно сильна, клетки открывают свои двери. Этот процесс генерирует электрический ток, который затем скачет вниз по выходной ветви нейрон, своего рода биологической магистрали.

На "терминале" электрические данные преобразуются в десятки химических "кораблей", которые плавают через промежутки между нейронами, чтобы доставить сообщение своим соседям. Именно так нейроны в сети взаимодействуют, и эта сеть в свою очередь производит воспоминания, эмоции и поведение.

Оптогенетика захватывает этот процесс

Используя вирусы, ученые могут добавить ген опсинов, особого семейства белков из водорослей, в живые нейроны. Опсины - это специализированные "двери", которые открываются при определенных частотах световых импульсов, чего не могут сделать клетки мозга млекопитающих.

Добавление опсинов в нейроны мыши (или наши) дает им сверхспособность реагировать на свет. В классической оптогенетике ученые имплантируют оптические волокна рядом с нейронами, усеянными опсинами, чтобы обеспечить световую стимуляцию. Запрограммированные компьютером, световые импульсы могут затем воздействовать на эти новые светочувствительные нейроны в определенной области мозга и управлять их активностью, как марионеткой на веревочке.

Используя генную инженерию, ученые также могут точно настроить, какие популяции нейронов получают эту дополнительную энергию, например, только те, которые кодируют недавнюю память, или те, которые вовлечены в депрессию или эпилепсию. Это позволяет играть с этими нервными цепями, используя свет.

Эта избирательность отчасти объясняет, почему оптогенетика так сильна. Но это еще не все. Как вы можете себе представить, мышам не особенно нравится быть связанными оптическими волокнами, растущими из их мозга. Люди тоже этого не делают, поэтому есть трудности в принятии этого инструмента для клинического использования.

Прощай хирургия

В новом исследовании команда Deisseroth начала с главной цели: давайте полностью избавимся от необходимости хирургических имплантатов. Сразу же это представляет собой сложную проблему. Это означает, что биоинженерные нейроны внутри мозга должны иметь чувствительную и достаточно мощную опсиновую "дверь", которая реагирует на свет, даже когда световые импульсы рассеиваются мозговой тканью. Это похоже на игру в телефон, где один человек кричит сообщение с расстояния в десять кварталов, через множество стен и городской шум, но вы все равно должны быть в состоянии расшифровать его и передать дальше.

К счастью, у команды уже был кандидат – ChRmine. Он отличается потрясающе быстрым временем реакции на свет и способностью генерировать большой электрический ток в нейронах: примерно в 100 раз лучше, чем любой из его предшественников.

Поскольку он настолько чувствителен, это означает, что даже искра света на его предпочтительной длине волны может заставить его открыть свои "двери" и в свою очередь контролировать нервную активность. Более того, ChRmine быстро отключается после того, как он открывается, что означает, что он не чрезмерно стимулирует нейроны, а скорее следует их естественной траектории активации.

Имплантировать электрод

В качестве первого теста команда использовала вирусы, чтобы добавить ChRmine в область глубоко внутри мозга: вентральную тегментальную область (VTA), которая имеет решающее значение для того, как мы обрабатываем стимулирование и зависимость, а также она вовлечена в депрессию. На данный момент единственный способ добраться до этой области в клинических условиях - это имплантировать электрод. Однако с помощью ChRmine команда обнаружила, что источник света, расположенный прямо за скальпом мыши, был способен надежно вызвать нейронную активность в этой области.

Можно ли управлять поведением, используя свет извне мозга

Случайная активация нейронов светом, хотя и впечатляет, может быть не так уж и полезна. Следующий тест заключается в том, можно ли управлять поведением мыши, используя свет извне мозга. Здесь команда добавила ChRmine к дофаминовым нейронам мыши, что в данном случае обеспечивает чувство удовольствия. По сравнению со своими сверстниками, мыши с усиленным нейронами были гораздо более нетерпеливы, чтобы нажать на рычаг, доставляющий свет к их мозгу. Это означает, что свет достаточно стимулирует нейроны для мышей, чтобы они могли чувствовать удовольствие и работать ради него.

Свет для контроля популяции клеток мозга

В качестве более сложного теста команда затем использовала свет для контроля популяции клеток мозга, называемых серотонинергическими клетками, в основании мозга, называемом стволом. Эти клетки, как известно, влияют на социальное поведение, то есть на то, насколько человек наслаждается социальным взаимодействием.

Это становится немного тревожным: мыши с усиленными ChRmine клетками, особенно в стволе мозга, предпочитали проводить время в "социальной зоне" своей тестовой камеры по сравнению со своими братьями и сестрами, у которых не было ChRmine. Другими словами, без какой-либо операции на открытом мозге и всего лишь нескольких световых лучей команда смогла превратить социально амбивалентную мышь в жаждущую дружбы социальную бабочку.

Управление мозгом издалека

Исследование предполагает, что с помощью инъекции вируса, несущего ген ChRmine (либо через глазницу, либо через вены), потенциально возможно контролировать нечто столь неотъемлемое для личности, как общительность, не имея ничего, кроме света.

Подчеркнем: пока это возможно только у мышей. Наш мозг намного больше, что означает, что свет, рассеиваясь через череп и проникая достаточно глубоко, становится намного сложнее. И опять же, клетки нашего мозга обычно не реагируют на свет. Вам придется добровольно участвовать в том, что составляет генную терапию, которая приходит со своими собственными проблемами, прежде чем это может потенциально сработать.