Наша географияЗаявка на членство+7 916 848-78-01info@rusneuro.net
О НейроНетеНаша миссияЧлены союзаНовостиПресс-центрДокументыАрхивКонтакты
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.
 

13.07.2018Обзор новостей нейротехнологий 07.07.18 - 13.07.18

Самые актуальные новости за неделю

Подробнее
13.07.2018EdTech Акселератор ED2: старт второго набора

ED2 совместно с негосударственным институтом развития «Иннопрактика» и «Global Venture Alliance» объявляют о запуске второго набора образовательных стартапов в отраслевую программу акселерации 

Подробнее
12.07.2018Отраслевой союз «Нейронет» запускает специальный образовательный проект «Нейро Академия»

Проект направлен на складывание устойчивого молодёжного сообщества, объединенного идеей построения нового будущего через призму развития рынка Нейронет

Подробнее
12.07.2018Медицинские разработки резидентов «Сколково» внедрят на Новгородчине

Это предусмотрено соглашением о сотрудничестве, подписанным председателем правления Фонда «Сколково» Игорем Дроздовым и губернатором Новгородской области Андреем Никитиным

Подробнее
10.07.2018Мастер-класс по работе с интерфейсом мозг-компьютер

14 июля 2018 г. на площадке ФРИИ (Фонда развития интернет-инициатив) состоится мастер-класс по работе с интерфейсом мозг-компьютер, на котором специалисты расскажут обособенностях работы потребительских нейроинтерфейсов и сферах применения технологии

Подробнее
10.07.2018Высшая Инжиниринговая Школа НИЯУ МИФИ представляет образовательную программу для магистратуры

Среди направлений обучения - прикладное программирование (Python и SQL), нейросетевое моделирование, машинное обучение, управление проектами

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