Stanford Magazine - Article

Оптогенетика - методика изучения работы клеток, путем внедрения в их структуру светочувствительных компонентов, которые могут, в ответ на освещение световым пучком с определенной длиной волны, изменять свойства клетки носителя, или являться флюоресцентными метками этой клетки. Основоположником данной методики считается профессор психиатрии и по совместительству биоинженер Карл Диссерот (Karl Deisseroth). Эта новая технология дает ученым чрезвычайно точный инструмент для придания работе мозга биологической основы.

На данном этапе, используя различные длины световых волн доставленных посредством оптического кабеля, ученые могут контролировать активность целевой группы нейронов.

Оптогенетика может быть использована на живых, реагирующих на раздражители, лабораторных животных - крысах, приматах - и в дальнейшем, будет возможность изучать эффекты переключения мозговых цепей при патологических мозговых симптомах. Выявление причинно следственных связей между мозговыми цепями и патологическими симптомами может привести к разработке высокоспецифичной терапии и более эффективных препаратов, или к появлению менее инвазивных мозговых имплантов для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона.

В лаборатории Диссерота в Стэнфорде благодаря этому методу изучают корни шизофрении и болезни Паркинсона. Кришна Шеной профессор биоинженер и радиоинженер разрабатывает методы помощи пациентам с параличами и травматическими повреждениями мозга. В конечном итоге оптогенетика может дать ученым не только интерпретацию своего языка, но и возможность обратной связи со скоростью точностью света.

В опытах Диссерота с лабораторными мышами, использовалась следующая схема (см рис.):

1.Ген, который делает клетки светочувствительными, выделяют из морских водорослей, или других микроорганизмов.

2.К гену добавляют фрагмент ДНК, для направления гена к определенному типу нейронов.

3.Измененный таким образом ген помещают в безвредный вирус и инъецируют в мозг мыши.

4.Целевые нейроны экспрессируют светочувствительный белок на своей поверхности.

5.Свет поступает через оптоволоконный кабель в мозг мыши.

6.Различные белки отвечают на свет определенной длины волны, включая и выключая нейроны.

Мыши, под действием синего света, от вживленного в моторную кору мозга, отвечающую за движение влево, тончайшего оптоволокна, бегут влево и останавливаются при отсутствии свечения.

Вероятно самый известный оптогенетический эксперимент, тот, который объяснил болезнь Паркинсона. Он четко проиллюстрировал контраст между, более эмпирическими предыдущими подходами, и оптогенетикой.

У врачей уже была высокоэффективная технология имплантационного лечения болезни Паркинсона, под названием «глубокая мозговая стимуляция (ГМС)». Металлический электрод (пейсмекер) имплантируется в субталамическое ядро и посылает периодические электрические импульсы (Этот же метод применяется для лечения депрессии и эпилепсии). Результаты были впечатляющими.

Это уменьшало патологические симптомы на 50 - 80% и снижало потребность в препаратах на 60%. Улучшение могло наступать немедленно.

По словам нейрохирурга из Стэнфорда, Джеми Хендерсона, он провел около 600 таких операций.

Так же ГМС имеет побочные эффекты. Диссерот называет ее «быстрая, но глупая». Все нейроны мозга перемешаны, и стимулируются, одновременно приводя к развитию парестезий, мышечных спазмов, речевых проблем, импульсивности, или когнитивным нарушениям. И как, по-настоящему работает ГМС, никто не знает.

Оптогенетика помогает докторам выявлять «подводные камни». Возможно, новейшие методы лечения болезни Паркинсона будут заключаться в этом. Диссерот в сотрудничестве с Хендерсоном использовали оптогенетику для контроля симптомов Паркинсона у лабораторных мышей, оснащенных волоконно-оптическими имплантами. Переключая различные нейроны, они были удивлены, что наибольший терапевтический эффект достигается не стимуляцией клеток определенного вида, а воздействием на активность их соединительных аксонов. Когда аксоны стимулировались светом с высокой частотой мигания, мыши вели себя нормально; когда мигание прекращалось, симптомы возобновлялись.

"Это указывает на концепцию, что нейропсихиатрические заболевания в основной своей массе могут относиться к нарушению потока активности между различными областями мозга,"- говорит Диссерот. "Одна из теорий, над которой мы сейчас работаем, заключается в том, что мозг взаимодействует, используя различные частоты осцилляций,"- говорит Хендерсон.

В одном из исследований были подсвечены так называемые «быстро-связывающиеся клетки»,редкие в здоровом мозге, эти нейроны еще более редки в мозге при шизофрении. Но их роль и связи были не изучены. Диссерот говорит: "Мы поняли, что они играют роль в поддержании ритма гамма-волн головного мозга, частота которых около 40 Гц."

Выяснилось, что этот ритм улучшает информационные связи в мозге, когда он выключен, информационные сообщения искажаются, что чрезвычайно важно при шизофрении, когда поражается обработка источника информации с тенденцией ошибочной трактовки значимости объектов и действий. Слуховые галлюцинации, или «голоса в голове» так же могут быть результатом ошибочной обработки информации, считает Диссерот. Это может быть плохо распознанная версия собственных мыслей. Каким-то образом теряется информация о том, что мысли собственные. Мысли кажутся чужими, произнесенными голосом.

Таким образом, возможно, не за горами и новые методы лечения шизофрении, и новые лекарства от шизофрении.

Эта техника так же может помочь восстановит нарушенные связи в поврежденном мозге. Ученый из Стэнфорда Кришна Шеной занимается сопряжением протезов с двигательными инструкциями мозга, минуя поврежденный спинной мозг.

Таким образом, оптогенетика является достаточно новым, наиболее тонким инструментом, из всех известных в нейробиологии.

Источник: nxmed.ru

Комментарии: