Наша географияЗаявка на членство+7 916 848-78-01info@rusneuro.net
О НейроНетеНаша миссияЧлены союзаНовостиСМИ о насДокументыАрхивКонтакты
Новости / Российские ученые создают новое направление науки, термогенетику: управление нейронной сетью с помощью инфракрасного излучения
Новости
5.05.2017

Российские ученые создают новое направление науки, термогенетику: управление нейронной сетью с помощью инфракрасного излучения

Молекулярные биологи из ИБХ РАН совместно с нейробиологами из ИВНДиНФ РАН и физиками из МГУ им. М.В. Ломоносова разработали новую технологию стимуляции нервных клеток инфракрасным излучением, генетически встраивая в нейроны млекопитающих белки-терморецепторы змей. Опубликованные в мае в журнале Nature Communications результаты открывают возможность неинвазивно стимулировать нейронные сети любых животных, а также управлять активностью других типов клеток в живых системах.

Учёных давно интересовал вопрос о том, как можно “точечно” управлять нейронами. В частности, в 1979 году Френсис Крик, открывший структуру ДНК вместе с Джеймсом Уотсоном, высказал предположение, что главным вызовом в нейробиологии является создание методов, которые позволяли бы стимулировать определенный тип нервных клеток, в то время как другие клетки оставались бы нечувствительными к стимулу. Практическое осуществление его идея получила лишь в 2005 году, когда группа исследователей из Стэнфордского университета под руководством Карла Диссерота смогла возбудить нервные клетки с помощью облучения светом. Этот метод назвали оптогенетикой (сочетание оптики и генетики).
Нейроны приобретают чувствительность к свету благодаря генетически встроенным в них белкам-рецепторам, которые в природе помогают живым организмам ориентироваться в окружающей среде. В зависимости от видов физического воздействия рецепторы делятся на различные классы. Так, световые сигналы воспринимаются родопсинами и фототропинами, а температурные колебания - терморецепторами семейства TRP (Transient receptor potential). Именно с их помощью мы чувствуем горячие или холодные объекты, а также вкус острой пищи или ментоловый “холодок”. Терморецепторы легли в основу метода термогенетики, также позволяющего «точечно» воздействовать на нейроны длинноволновым инфракрасным излучением, проникающим в ткани очень глубоко.
В своем исследовании ученые из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова использовали в качестве белков-рецепторов высоко чувствительные терморецепторы змей TRPA1, которые отвечают за термозрение – способность некоторых змей «видеть» теплые объекты на расстоянии. Это помогает животным ориентироваться в пространстве и охотиться в темноте.
Первая часть экспериментов проводилась на культуре нервных клеток мышей. Из оптоволоконной лазерной установки на нейроны локально подавали инфракрасный свет и электрофизиологически регистрировали их активацию, измеряя поток ионов через мембрану.
«Нам удалось измерить динамику ответа нейрона на очень небольшие изменения температуры, на которые обычно нейроны не отвечают - объясняет Евгений Никитин, руководитель группы нейрофотоники ИВНД и НФ РАН. – Полученные данные прямо показывают возможность избирательного управления активностью нейронов со встроенными терморецепторами змеи».
Исследование включало не только биологическую, но и физическую составляющую. Для термогенетической стимуляции исключительно важно нагревать живую ткань на заданную температуру, не превышающую 1-2 градуса. Недостаточный нагрев неспособен активировать нейроны. Избыточный – приведет к перегреву и гибели нейронов. Коллективом физиков из МГУ под руководством Алексея Желтикова был разработан метод локальной детекции температуры с помощью квантовых эффектов в микрочастицах алмазов, имеющих специальные дефекты кристаллической решетки. Такой алмаз, будучи помещенным на кончик оптоволокна, способен измерять температуру нагреваемого образца с высокой точностью.
Метод термогенетики открывает широкие перспективы для использования и для дальнейших разработок. Во-первых, ИК-излучение глубже проникает в ткань, а значит, появится возможность стимулировать более глубокие слои мозга. Более того, для нагрева можно использовать не только инфракрасное излучение, но и фокусированные СВЧ-волны или магниты высокой мощности. Во-вторых, термогенетика имеет огромное преимущество в работе с маленькими модельными животными, такими как улитки, мальки рыб или плодовые мушки. В классических оптогенетических экспериментах животные видят синий свет, используемый для активации нейронов, и пугаются его. ИК-излучение для них невидимо, поэтому можно не опасаться побочных реакций животного на яркий свет. В-третьих, полученный молекулярный и технический инструментарий можно использовать для активации не только нейронов, но и других клеток. Все вместе, это приведет к появлению новых подходов к терапевтической стимуляции или, наоборот, подавлению функций различных клеток в организме. Оптогенетика делает первые шаги в этой области, теперь к ней присоединится и термогенетика, выведенная данной работой на новый уровень.
 

26.05.2017Обзор новостей нейротехнологий 20.05.17-26.05.17

Самые актуальные новости за неделю

Подробнее
23.05.2017Отраслевой союз «Нейронет» подписал Меморандум о сотрудничестве с Бизнес-инкубатором ВШЭ

В рамках партнерства “Нейронета” и Бизнес-инкубатора ВШЭ планируется отбор проектов для реализации Национальной технологической инициативы,

Подробнее
22.05.2017Поздравляем Павла Милославовича Балабана с публикацией в журнале Nature Communications

Статья посвящена термогенетике - новому направлению исследований мозга

Подробнее
20.05.2017Обзор новостей нейротехнологий 13.05.17-20.05.17

Самые актуальные новости за неделю

Подробнее
12.05.2017Обзор новостей нейротехнологий 06.05.17-12.05.17

Самые актуальные новости за неделю

Подробнее
6.05.2017Science guide приглашает в путешествие к мировым экспертам по Artificial Intelligence

Scienceguideприглашает 1-4 июня отправиться в путешествие в Лондон на AIMeetupтех, кто заинтересован во вложении инвестиций в высокотехнологичные проекты и умении качественно оценивать потенциал разработок в сфере AI.

Подробнее
123242, г. Москва, Малый Конюшковский пер., д. 2, оф. 17