Наш мозг состоит из миллиардов нейронов, которые соединены в сложные сети. Они общаются между собой, посылая электрические сигналы, известные как потенциалы действия, и химические сигналы, известные как нейротрансмиттеры, в процессе, называемом синаптической передачей.

Химические нейротрансмиттеры высвобождаются из одного нейрона, распространяются по другим и поступают в целевые клетки, генерируя сигнал, который возбуждает, тормозит или модулирует клеточную активность. Время и сила этих сигналов имеют решающее значение для мозга при обработке и интерпретации сенсорной информации, принятии решений и формировании поведения.

Управление связями между нейронами позволит нам лучше понимать и лечить неврологические расстройства, перепрограммировать или устранить неисправности нейронных цепей после их повреждения, улучшить наши способности к обучению или расширить набор моделей поведения.

Существует несколько подходов к управлению активностью нейронов. Один из возможных методов - использование лекарств, которые изменяют уровень химических нейротрансмиттеров в мозге и влияют на активность нейронов. Другой подход заключается в использовании электрической стимуляции определенных участков мозга для активации или торможения нейронов. Третья возможность - использование света для управления нейронной активностью.
Использование фотонов для управления активностью нейронов

Использование света для управления активностью нейронов - это относительно новая техника, которая была исследована в прошлом. Она предполагает генетическую модификацию нейронов для экспрессии светочувствительных белков, ионных каналов, насосов или специфических ферментов в клетках-мишенях. Эта техника позволяет исследователям более точно контролировать активность конкретных популяций нейронов.

Однако существуют некоторые ограничения. Для достижения достаточного разрешения на уровне синапсиса его необходимо проводить очень близко к нейронам, поскольку свет рассеивается в тканях мозга. Таким образом, этот метод часто является инвазивным, требующим внешнего вмешательства. Кроме того, интенсивность, необходимая для достижения целевых клеток, может быть потенциально вредной для них.

Чтобы преодолеть эти трудности, группа исследователей ICFO представляет в журнале Nature Methods систему, которая использует фотоны вместо химических нейротрансмиттеров в качестве стратегии управления активностью нейронов.

Исследователи ICFO Монтсеррат Порта, Адриана Каролина Гонсалес, Неус Санфелиу-Сердан, Шади Карими, Навапхат Малайвонг, Александра Пидде, Луис Фелипе Моралес и Сара Гонсалес-Боливар под руководством профессора Майкла Крига и Пабло Фернандеса и Седрика Хурта разработали метод соединения двух нейронов с помощью люцифераз, светоизлучающих ферментов и светочувствительных ионных каналов.

Они разработали и испытали систему под названием PhAST - сокращение от Photons As Synaptic Transmitters - на круглом черве Caenorhabditis elegans, модельном организме, широко используемом для изучения конкретных биологических процессов. Подобно тому, как биолюминесцентные животные используют фотоны для общения, PhAST использует ферменты люциферазы для передачи фотонов, а не химических веществ, в качестве передатчиков между нейронами.
Замена химических нейротрансмиттеров фотонами

Чтобы проверить, могут ли фотоны кодировать и передавать состояние активности между двумя нейронами, команда генетически модифицировала круглых червей, снабдив их дефектными нейротрансмиттерами, что сделало их нечувствительными к механическим стимулам. Они стремились преодолеть эти дефекты с помощью системы PhAST.

Во-вторых, они сконструировали светоизлучающие ферменты люциферазы и выбрали ионные каналы, чувствительные к свету. Чтобы проследить за потоком информации, они разработали устройство, которое подавало механическое напряжение на нос животного и одновременно измеряло активность кальция в сенсорных нейронах, одного из самых важных ионов и внутриклеточных мессенджеров.

Чтобы иметь возможность видеть фотоны и изучать биолюминесценцию, команда ранее разработала новый микроскоп, упростив флуоресцентный, удалив все ненужные оптические элементы, такие как фильтры, зеркала или сам лазер, с помощью машинного обучения уменьшив шум, исходящий от внешних источников света.

Затем исследователи проверили работоспособность системы PhAST в нескольких экспериментах и добились успеха в использовании фотонов для передачи состояний нейронов. Они смогли установить новую передачу между двумя неподключенными клетками, восстановив связь между нейронами в неисправной цепи. Они также подавили реакцию животных на болевой стимул, изменили их реакцию на обонятельный стимул с привлекательного на аверсивное поведение и изучили динамику кальция при откладывании яиц.

Эти результаты показывают, что фотоны действительно могут действовать как нейротрансмиттеры и обеспечивать связь между нейронами, а система PhAST позволяет синтетически модифицировать поведение животных.
Потенциал света как мессенджера

Свет как мессенджер открывает широкие возможности для будущего применения. Поскольку фотоны могут быть использованы в других типах клеток и нескольких видах животных, это имеет широкие последствия как для фундаментальных исследований, так и для клинического применения в неврологии.

Использование света для управления и мониторинга активности нейронов может помочь исследователям лучше понять глубинные механизмы функционирования мозга и сложного поведения, а также то, как различные области мозга взаимодействуют друг с другом, обеспечивая новые способы визуализации и картирования активности мозга с более высоким пространственным и временным разрешением. Это также может помочь исследователям в разработке новых методов лечения и, например, может быть полезно для восстановления поврежденных связей мозга без инвазивных операций.

Однако для широкого использования этой технологии все еще существуют некоторые ограничения, и дальнейшие усовершенствования в разработке биолюминесцентных ферментов и ионных каналов или в нацеливании молекул позволили бы оптически контролировать функции нейронов, неинвазивно и с большей специфичностью и точностью.