Лазер и микробный белок вживили зрительные образы в мозг мышей

Американские нейробиологи научились контролировать активность отдельных нейронов первичной зрительной коры мыши, сообщается в Science. Оптогенетически стимулируя несколько десятков ее клеток одновременно, они вызывали у грызунов те же реакции, что и при просмотре определенных рисунков. Можно сказать, что искусственная активация нейронов зрительной коры грызунов внедрила в их мозг галлюцинации.

В середине двухтысячных годов Карл Дайссерот (Karl Deisseroth) из Стэнфордского университета и его коллеги разработали метод активации нервных клеток светом — например, излучением лазера. Чтобы нейроны реагировали на сигнал, который в норме они не получают, ученые внедрили в эти клетки ген каналородопсина-2. Этот бактериальный белок располагается в мембране клетки и при активации светом открывает в этой мембране отверстие — канал. Через него проходят ионы и направляются туда, где их концентрация меньше — либо в клетку, либо из нее. Это позволяет регулировать активность данного нейрона.

Надежно управлять отдельными идентифицированными клетками, а не их ансамблями, научились в 2012 году. Тогда сотрудники Дайссерота совместно с лабораторией Рафаэля Юсте (Rafael Yuste) из Колумбийского университета вызывали нервные импульсы или подавляли их в конкретных нейронах соматосенсорной коры больших полушарий бодрствующих животных.

Новая работа стэнфордских нейробиологов близка к статье 2012 года по сути, но сложнее в исполнении. На этот раз ученые оптогенетически активировали не разрозненные клетки, а компоненты нервных ансамблей первичной зрительной коры, которые работают в конкретной ситуации. Чтобы выявить структуру этих ансамблей, они обучали мышей лизать поилку, когда те видят на экране вертикальные черно-белые полосы, и не делать этого, когда им показывают такие же полосы, но горизонтальные.

Запись активности нейронов (их кальциевых сигналов) во время обучения. Мышь должна была лизать трубочку, когда видела вертикальные полосы, и не лизать то время, пока видит горизонтальные.

Kelly Servick / Science, 2019

Стимуляция нейронов теми же паттернами сигналов, которые они производили, пока обученное животное смотрело на горизонтальные или вертикальные полосы. Чтобы животное среагировало, будто видит на экране конкретное изображение, не обязательно стимулировать все клетки, которые активировались в ответ на него.

Kelly Servick / Science, 2019

Во время сессий обучения животных авторы записывали активность отдельных клеток их первичной зрительной коры с помощью флуоресцентных красителей, реагирующих на изменение внутриклеточной концентрации кальция. Затем паттерны этой активности задавали тем же клеткам, которые реагировали на вертикальные и горизонтальные полосы, воздействуя на них лазером в инфракрасном диапазоне. При этом использовали не обычный каналородопсин-2, а каналородопсин ChRmine, более восприимчивый к красному и инфракрасному. Его специально искали для данного исследования — проверяли геномы 600 морских организмов на наличие соответствующих генов.

Если клеткам первичной зрительной коры навязывали активность, аналогичную той, что у них была при демонстрации вертикальных полос, мыши начинали лизать трубочку поилки. Когда клетки стимулировали паттернами активности, соответствующими просмотру горизонтальных полос, грызуны переставали пить (все это время экран ничего не показывал). Интересно, что для смены поведения достаточно было активировать всего около 20 клеток из тех, что реально были задействованы при обучении.

Главный автор исследования, Карл Дайссерот, отмечает: «В мозге мыши миллионы нейронов, в мозге человека — миллиарды. Если всего 20 клеток могут создать в нем некий образ, то почему у нас так редко бывают галлюцинации из-за спонтанного «ложного срабатывания» клеток? Наша работа показывает, что кора мозга млекопитающих каким-то образом приспособилась выдавать комплексные реакции на активность удивительно малого числа клеток и при этом не вырабатывать ложных ощущений в ответ на информационный шум».

Тем не менее, нет стопроцентной уверенности в том, что в мозге мышей при оптогенетичекой стимуляции действительно возникали зрительные образы. Дело в том, что клетки зрительной коры могут реагировать не только на визуальные стимулы, но и на движения самого животного и сильно зависит от его состояния в данный момент. Одни и те же нейроны этой области дают неодинаковые ответы на одни и те же раздражители при повторной стимуляции.

Оптогенетика — сравнительно молодая методика (ей нет и 15 лет), она бурно развивается. На днях американские исследователи сообщили о разработке новой модификации метода — оптохемогенетике. Источник света, активирующего нейроны, они поместили в головной мозг экспериментальных животных, что снизило инвазивность процедуры. Стимулируя клетки в области поражения, они сумели направить рост новых нейронов и ускорить восстановление мышей после инсульта.

Светлана Ястребова

Источник: nplus1.ru

Комментарии: