Поведением животных обычно управляют при помощи метода «кнута и пряника». Этому методу — сотни, даже тысячи лет. Здесь все просто: хорошо ведет себя питомец или лабораторное животное — оно получает поощрение в виде еды, плохо ведет — вкусняшки отменяются, следует какое-либо наказание. В Стэнфорде решили пойти дальше. Нейробиологи из этого университета поставили цель научиться управлять поведением мышей при помощи беспроводного оптического нейроимпланта. Он не действует на нейроны мозга электрическим током. Вместо этого используется свет вживленного светодиода.
Имплант имеет очень небольшие размеры — примерно с зернышко перца. Для подготовки мыши для работы с имплантом была проведена довольно масштабная подготовка, причем выполняли ее генетики. Грызунам ввели ген, который обеспечивает реакцию нейронов мозга на голубой свет. При включении системы управления поведением мыши, имплант в черепе начинает светиться и на это свечение реагируют некоторые клетки головного мозга мыши. На видео, размещенном ниже, хорошо видно, как после включения системы одна из мышей, принимающих участие в эксперименте, прекращает хаотичные движения и начинает бегать четко по кругу в своей клетке. Зачем все это? Специалисты утверждают, что метод поможет найти решение проблемы лечения нейродегенеративных заболеваний, например, болезней Альцгеймера или Паркинсона.
Оптико-электрические методы контроля поведения животных еще недавно описывались в различных научно-фантастических произведениях. Но сейчас это, насколько можно судить, уже реальность. Проникновению технологий будущего в сегодняшний день способствует, в частности, оптогенетика. Новые методы этой научной отрасли (появилась она в 2005 году), разработанные недавно учеными, позволяют использовать свет для активизации практических любых клеток головного мозга и задействовать определенные нейронные связи. Под воздействием света поведение животных резко меняется, они начинают делать то, что ожидает исследователь. Одна из задач этих исследований — получение большего количества информации о строении мозга и нервной системы в целом.
В случае оптических методов воздействия на нейроны основная проблема состоит в том, чтобы обеспечить доступ света в череп живого существа. Это не так просто. Некоторые ученые решают проблему при помощи оптоволоконных кабелей (очень тонких), вживляемых в череп и освещающих затем некоторые доли мозга синим (в данном случае) светом. Есть и ученые, которые экспериментируют со светодиодами и миниатюрными системами на их основе. По словам Ады Пун (Ada Poon), старшего доцента Стэнфорда, оптимальным вариантом является не оптоволокно в черепе, а беспроводный модуль со светодиодом, вживляемый в череп. Он не мешает животному вести нормальный образ жизни и не особо влияет на самочувствие мышей.
При этом ни волокон, ни кабелей нет, все работает по беспроводной связи. Электроника сейчас позволяет разрабатывать куда меньшие по размеру устройства, чем вживляемые в голову грызуна беспроводные модули связи. Передатчик сигнала размещается под клеткой, что обеспечивает стабильный прием команд вживляемым модулем.
Выше говорилось о том, что для того, чтобы реагировать на свет, клетки мозга мыши должны быть генетически модифицированы. Это действительно так. Ген, который позволяет клетке проявлять реакцию на свет, был извлечен из одноклеточных зеленых водорослей. Эти водоросли могут перемещаться по направлению к источнику света благодаря наличию особого белка в клеточной мембране. Белок взаимодействует со световым излучением особым образом — он открывает ионный канал в мембране, изменяя электрический потенциал клетки. В результате водоросль получат возможность двигаться. В 2005 году несколько групп исследователей поняли, что этот ген можно использовать для внедрения в ДНК нейрона.
После такой модификации нейрон получает тот самый белок клеточной мембраны, способный реагировать на свет. Теперь, если нейрон осветить, открываются ионные каналы, и в клетку заходят ионы. Этот процесс провоцирует изменение электрического потенциала, что активизирует нейрон. Он начинает выделять особое химическое вещество, активизирующее, в свою очередь, нейроны, находящиеся рядом. В результате задействуется определенная часть головного мозга и организм животного реагирует соответствующим образом. Это могут быть какие-то действия животного (бег по кругу, который уже упоминался выше) или общая реакция организма (сон, проявление определенных эмоций и т.п.).
Наблюдение за реакцией животного помогает понять, как активизация той либо иной группы нейронов влияет на действия животного, работу групп разных мышц и прочие процессы. Некоторые нейробиологи используют обычные электроды, вживляемые в мозг животного, а затем экспериментируют, включая ток и активизируя группы нейронов. Но такие системы очень неудобны, они мешают животному и не могут в полной мере обеспечить чистоту эксперимента. Кроме того, такой метод неспособен обеспечить работу с определенной группой клеток — например, нейронами в гиппокампе, которые отвечают за некоторые процессы памяти.
Оптогенетика избавляет животное от большей части неудобств, связанных с наличием электродов, подведенных к голове, и обеспечивает исследователю работу в комфортных условиях, которые, кроме всего, позволяют проводить «чистые» эксперименты. Нейроны реагируют на свет в течение нескольких миллисекунд, никакой задержки нет. Преимущество оптогенетических методов перед традиционными электрофизиологическими методами изучения нейронных сетей и воздействия на них состоит в возможности высокоселективной активации либо подавления конкретных нейрональных связей. Эта селективность открывает новые возможности в терапии болезни Паркинсона, депрессии, тревожности и эпилепсии.
Исследования, которые выполняются нейробиологами, помогают постепенно понимать, что собой представляет болезнь Паркинсона и как ее можно лечить (насколько это вообще возможно). В одном из исследований ученые стимулировали в мозге обезьян те нейроны, что отвечали за выработку допамина — он играет важную роль в мотивации, контроле движений, он же отвечает и за привыкание к чему-либо. Одна из групп исследователей пыталась понять, как повреждение клеток, производящих допамин, может повлиять на движение животного. Эти исследования дали ученым массу важных данных, которые помогают лечить сложные заболевания такого типа.
Цель Ады Пун — создание оптогенетической системы, которая позволит мыши нормально чувствовать себя в привычном окружении. В этом случае нейробиологи смогут без проблем изучать особенности работы различных областей мозга, получая большое количество важной информации, которая поможет при лечении нейрофизиологических заболеваний.
Аппаратура, которая используется в работе с грызунами
Пун считает, что беспроводные системы и оптогенетика — это будущее нейробиологии. Кстати, есть и другие типы беспроводных систем, которые используются в науке. Многие из них используют электромагнитную индукцию в качестве основы своей работы. Приемник сигнала вживляется в мозг мыши, а передающее устройство размещается поблизости. Но у такого типа систем есть ряд недостатков. В первую очередь, это поддержание функционирования сильного электромагнитного поля и сложности с определением перемещений животного по клетке.
Пун с коллегами решила воспользоваться тем, что тело практически любого животного — это хороший проводник, который будет взаимодействовать с радиоизлучением, изменяя его в зависимости от формы и свойств тела. Было разработано специальное программное обеспечение, которое отслеживало места, где электромагнитное излучение «деформируется» определенным образом тканями тела мыши. Было создано специальное оборудование, которое, по словам разработчиков, улавливает все искажения с высокой степенью точности, и отслеживает местоположение животного в любое время суток. Для упрощения работы ученые использовали RF-метку, которая постоянно генерирует стойкий радиосигнал.
Имплант для мозга мыши
Он представляет собой небольшую систему из индуктивных катушек, светодиода и управляющего элемента. Масса устройства составляет всего 20 миллиграммов, что для мыши не представляет проблемы. Объем устройства — 10 кубических миллиметров.
Ада Пун утверждает, что такое оборудование соответствует требованиям, предъявляемым к научному оборудованию. Команда проекта опубликовала подробную информацию по сборке системы в сети. Кроме того, есть и видеоруководство по эксплуатации системы. Беспроводный передатчик сигнала построен с использованием общедоступных инструментов и недорогих компонентов, которые можно купить в любом радиомагазине. Эта система позволяет нейронам реагировать на раздражитель очень быстро, затем компьютер отслеживает движения животного.
По мнению разработчиков, то, что они выложили описание конструкции с необходимыми данными по ее изготовлению поможет ученым быстрее начать работу с оптогенетикой. Сама конструкция предложенных систем гораздо проще в реализации, чем конструкция аналогичных систем. Создать ее можно при помощи широко доступных инструментов и недорогих материалов.
Оптогенетика и связанные с нею устройства, вероятно, вскоре будут использоваться в медицине. Во всяком случае, это мнение высказывают многие крупные организации. Правда, когда именно это может произойти — сказать пока не может никто. Исследователям необходимо убедиться в безопасности используемых методов работы, прежде, чем внедрять их повсеместно.
Кроме болезни Паркинсона, о чем говорилось выше, такая система позволит изучить причины и ход болезни Альцгеймера. Традиционный метод изучения этой болезни — работа с мышами в лабораторных условиях. Лаборатория, в которой работает Пун, сейчас работает над тем, чтобы применить свою разработку в изучении механизма потери памяти на ранних стадиях заболевания. Ученые ищут средство излечения заболевания или хотя бы способ затормозить развитие болезни Альцгеймера.
Возможно, новые данные помогут ученым разрабатывать методы лечения нервной системы человека. Если что-то работает не так, где-то систему «замкнуло» — врачи в недалеком будущем получат инструмент для решения таких проблем. Во всяком случае, на это рассчитывает команда проекта.
Сейчас ученые уже научились напрямую активировать группы нейронов, отвечающих за определенные функции аппарата памяти. Так что в памяти грызуна можно вызывать флешбек, например, страх пережитый в недавнем случае или боязнь получить болезненный удар током. Врачи в некоторых случаях используют имплантируемые электроды для лечения нескольких нейродегенеративных и нейропсихических заболеваний. Как утверждает коллектив проекта, электроды можно без проблем заменить оптогенетическими системами, у которых небольшой размер и высокая избирательность работы, о чем и говорилось выше. Сама оптогенетика, как утверждает Пун с коллегами, вполне может быть путеводным светом для нейробиологов. Кто знает, возможно, так и есть.
ссылка на оригинал статьи https://geektimes.ru/post/283180/
Добавить комментарий