Засвітити прямо в мозок

Засвітити прямо в мозок

Дмитро Мамонтов
"Популярна механіка" №5, 2014

Методи фотоніки вже зробили революцію в індустрії телекомунікацій. Тепер на черзі – біологія.

Науковий співробітник Лабораторії фотоніки та нелінійної спектроскопії фізфаку МДУ Любов Амітонова демонструє світловод, розроблений для оптогенетіческіх досліджень

На екрані – звичайна лабораторна миша. Через кадру до її голові тягнуться два тонких світловода. Вона сидить, а потім починає бігати по колу. На перший погляд не дуже вражає. Хоча, звичайно, насправді миша не зовсім звичайна: нейрони у неї в мозку управляються безпосередньо світловими імпульсами. Це типова демонстрація методу, який в останнє десятиліття викликав справжню революцію в області нейробіології – оптогенетики.

Сенсори і актуатори

"Що таке оптогенетики? Це використання генетично кодованих молекул-індикаторів, які можуть служити сенсорами протікають в клітинах біологічних процесів і здатні за рахунок своїх оптичних властивостей (флуоресценції під дією лазерного випромінювання або власної люмінесценції) повідомляти про це дослідникам, – говорить Костянтин Анохін, керівник відділу нейронаук НДЦ "Курчатовський інститут", завідувач лабораторією нейробіології пам'яті НДІ нормальної фізіології РАМН.- Це так звана пряма оптогенетики. А є ще й зворотна – це використання генетично кодованих молекул-актуаторов, які при їх збудженні світлом здатні змінити роботу клітини. Серед актуаторов найчастіше зараз використовують іонні канали бактерій або водоростей. Якщо за допомогою генетичного кодування вставити ці канали в мембрани клітин ссавців, вони у відповідь на світло певних довжин хвиль будуть відкриватися, пропускаючи іони і тим самим змінюючи електричний потенціал клітин. Найбільше застосування оптогенетики отримала при вивченні клітин нервової системи, особливо мозку ".

Як працює оптогенетики
За допомогою оптогенетіческіх методів дослідники отримують можливість впливу на вибрані нейрони за допомогою світлових імпульсів ') "> Як працює оптогенетики
За допомогою оптогенетіческіх методів дослідники отримують можливість впливу на вибрані нейрони за допомогою світлових імпульсів "border = 0> Як працює оптогенетики
За допомогою оптогенетіческіх методів дослідники отримують можливість впливу на вибрані нейрони за допомогою світлових імпульсів

точкові удари

Перші експерименти в області оптогенетики були проведені в лабораторіях Єльського університету, Каліфорнійського університету в Берклі і Стенфорда всього лише близько десятиліття тому, але метод вже заслужив репутацію революційного в середовищі нейробіологів. "У корі головного мозку безліч різних типів нейронів, які виконують різні функції, – пояснює Костянтин Анохін. – Ці нейрони об'єднані в мережі, які, власне, і є мозок. Щоб зрозуміти, як працюють ці мережі, потрібно втрутитися в їх роботу. Раніше це досягалося методами "килимових бомбардувань". Уявіть собі мозок у вигляді мегаполісу, в якому діє дуже маленька, в десяток чоловік, шпигунська мережа. Так от раніше, щоб дізнатися механізм роботи цієї мережі, ми, умовно кажучи, скидали на місто атомну бомбу, оскільки н -якого іншого зброї у нас не було. оптогенетики же можна порівняти з вибірковості з точковими ударами: сенсори або актуатори можна вставити, наприклад, тільки в потрібний тип клітин і впливати саме на них. Це надає вченим недосяжну раніше вибірковість у впливі і можливість розуміння тонких механізмів роботи окремих елементів мереж в мозку ".

Доповнювати, але не скасовувати

Було б абсолютно помилковим вважати, що з появою оптогенетики всі інші методи досліджень мозку підуть в минуле. Звичайно, оптогенетики має серйозні переваги у вигляді вибірковості впливу, точності і можливості як порушення, так і гальмування нейронів. Однак існуючі методи, такі як електроенцефалографія (ЕЕГ), магнітоенцефалографія (Мег), позитронно-емісійна томографія (ПЕТ), реєстрація викликаних потенціалів, реєстрація активності окремих нейронів за допомогою мікроелектродів, функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ), мають свої сильні сторони. Наприклад, функції вищої нервової діяльності, пов'язані з свідомістю людини, можна досліджувати за допомогою фМРТ, але не методами оптогенетики, які застосовні тільки до тварин. До того ж такі методи, як фМРТ і Мег, дозволяють бачити глобальну картину того, що відбувається в мозку, в той час як оптогенетики – тільки локальні області.

Вмикати і вимикати

Другий важливий момент, характерний для оптогенетики, – це можливість двонаправленого прецизійного управління роботою мереж в головному мозку.Раніше для стимуляції окремих областей використовувалися електричні імпульси, що подаються на вживлені в мозок електроди, але такий вплив дозволяє лише порушувати нейрони, і, крім того, воно досить грубо і "інерційно". За допомогою оптогенетики вплив можна зробити дуже тонким, тобто відпрацьовувати навіть дуже короткі імпульси і не тільки порушувати, а й загальмовує потрібні нейрони. Останнє може зіграти важливу роль не тільки в фундаментальної нейробіології, але і в прикладній медицині: наприклад, вводячи актуатори в нейрони в осередку епілептичної активності і включивши "гальмування", можна перервати напад епілепсії.

Чутливі до світла іонні канали дозволяють управляти нейронами. Ченнелродопсін-2 (ChR2) під впливом синього світла з довжиною хвилі 470 нм відкриває доступ іонів натрію в клітину, що призводить до порушення нейрона, а галородопсін (NpHR) під дією сонячного світла (589 нм) відкриває доступ іонів хлору, гальмуючи нейрон

Фотоніка

Оптичні методи та системи для експериментів, що проводяться в лабораторії нейронаук НДЦ "Курчатовський інститут", розробляють в лабораторіях фізичного факультету МДУ і Російського квантового центру."Оптоволоконні інтерфейси – це інструмент для широкого класу задач, які не обмежуються оптогенетики, – каже завідувач лабораторією фотоніки та нелінійної спектроскопії фізфаку МДУ, керівник групи" Передова фотоніка "Російського квантового центру Олексій Желтиков. – Для оптогенетики ми не стали обмежуватися звичайними оптичними волокнами ( оточена оболонкою кварцова серцевина, в якій завдяки повному внутрішньому віддзеркаленню "замикається" світловий імпульс), а стали розробляти нові типи світловодів – мікрос руктурірованние і фотонно-кристалічні ".

оперувати світлом

Фотоніка – це область науки і технології, де дослідники оперують фотонами приблизно таким же чином, як в електроніці звертаються з електронами. В рамках фотоніки розробляються різні джерела фотонів (від лазерів і світлодіодів до синхротронів), фотонні "проводу" – оптичні хвилеводи і волокна, оптичні підсилювачі, пристрої управління потоком фотонів (в тому числі фотонні кристали) і різні детектори.

Що таке фотонні кристали? Це, пояснює Олексій Желтиков, одно-,дво- або тривимірні структури з періодом порядку довжини хвилі: "Така будова надає фотонним кристалів незвичайні оптичні властивості – скажімо, в деяких напрямках світло може поширюватися, а в інших – ні. Фотонні кристали існують в природі: луска риб, крила метеликів або перламутр зобов'язані своїми веселковими кольорами саме періодичної структурі. мікроструктурованих і фотонно-кристалічні світлопроводи також мають складну поперечну структуру, від її геометрії залежать фундаментальні властивості світлового поля. Змінюючи гео метрию і зміст повітря в волноводе, можна отримати волокно з різними властивостями. Керуючи дисперсією, тобто показником заломлення для різних довжин хвиль, можна добиватися того, що поширюється всередині лазерний імпульс буде подовжуватися, зменшуватися або залишатися незмінним. Управляти можна не тільки дисперсією: оточивши кварцову серцевину повітряним проміжком, можна збільшити нелінійність волокна і отримати нелінійні оптичні ефекти навіть при невисоких потужностях імпульсів ".

побачити спогади

"У мозку існують функціональні розподілені мережі клітин, – говорить Костянтин Анохін.- Щоб зрозуміти, як вони працюють, як виникають, як спілкуються один з одним, як утворюють пам'ять, нам потрібні інструменти для виборчого спостереження і впливу на елементи таких мереж. І ми навчилися робити це – знайшли гени, які активуються в момент утворення мережі нервових клітин. Ми хочемо підключити до цих генам оптогенетіческіе сенсори і актуатори. Це дасть можливість візуалізувати нейрони в момент утворення мережі або вибірково активувати їх, витягуючи спогади ".

нелінійне зір

Звичайно, для оптогенетіческіх нейроінтерфейси можна обійтися набагато простішими рішеннями. Але в лабораторії Олексія Желтиківському розробляють і інші методи дослідження біологічних систем, засновані на нелінійних оптичних ефектів. Основна проблема полягає в тому, що ці ефекти вимагають високої інтенсивності світлового випромінювання. У біологічної тканини відбувається іонізація, яка запускає безліч фотохімічних реакцій, а енергія імпульсу поглинається і руйнує клітину. Тому одна з найважливіших завдань в нелінійної мікроскопії – отримання якомога більш коротких імпульсів, при цьому можна значно збільшити інтенсивність, але знизити загальну енергію імпульсу.Ось для цього і використовуються фотонно-кристалічні волокна з потрібними параметрами, де лазерний імпульс в міру проходження "стискається".

Періодична поперечна структура мікроструктурованих (зліва) Або фотонів-кристалічних (справа) Волокон дозволяє змінювати різні оптичні характеристики, такі як дисперсія і нелінійність. При цьому з'являється можливість управляти спектральними або тимчасовими характеристиками лазерних імпульсів – наприклад, стискати їх, розтягувати, посилювати або зміщувати по частоті.

Типовий приклад нелінійного оптичного ефекту – двухфотонная мікроскопія, тобто люмінесценція при резонансному поглинанні двох фотонів. В якості мітки зазвичай використовують відомий зелений флуоресцентний білок GFP, ген якого вводять в потрібні клітини. Двухфотонная флуоресценція дозволяє вибірково "запалювати" потрібні області зразка під впливом випромінювання ближнього інфрачервоного діапазону. Перевага такого підходу в тому, що ІЧ-випромінювання проникає в біологічні тканини глибше, ніж видиме, так що цим методом можна візуалізувати в зразку області на глибині близько 1 мм.

"Метод двухфотонной люмінесценції вимагає наявності в клітинах зразка мітки – білка GFP. Але можна зробити так, що мітка взагалі буде не потрібна! – каже Олексій Желтиков. – Адже у кожної молекули є своя власна частота коливань, і це її мітка. І якщо ми бачимо розсіювання світла на даних частотах, ми можемо зробити висновок про наявність даних молекул. на цьому заснована CARS-мікроскопія, яка використовує ефект когерентного антистоксових розсіювання світла. Але зазвичай для CARS потрібен перебудовується за частотою лазер, а це сильно ускладнює конструкцію мік оскопили. У нашій лабораторії ми знайшли спосіб обійтися без окремого перебудованого лазера: ми використовуємо основний лазерний пучок і спеціально розроблене фотонно-кристалічна волокно, яке дозволяє зрушувати імпульси по частоті ".

Принцип дії CARS-мікроскопії полягає у використанні когерентних пучків лазерного випромінювання – накачування і стоксова, які повинні точно потрапити в резонанс з частотою власних коливань молекули. В якості пробного пучка може виступати пучок накачування. Сигнал на відповідній частоті дозволяє побачити "потрібні" молекули


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: