Оптогенетика: полный контроль над нейросетью организма
Оптогенетика - совершенно новая область, сочетающая оптические и генетические методы исследования нейронных связей в естественных условиях, без влияния на функционирование нейросети. Ученые из Стэнфордского университета впервые применили данный метод для полного контроля нервных цепей, управляющих мышцами, что открывает огромные перспективы для науки и медицины.
Суть процесса в следующем: для того чтобы можно было стимулировать нейроны светом, используется ген трансмембранного белка channelrhodopsin-2 из зеленых водорослей Ch.reinhardtii, который при освещении синим светом начинает пропускать внутрь клетки положительно заряженные ионы. Ионы инициируют электрическую активность внутри нейрона, и она начинает распространяться от нейрона к нейрону. Контролируя помещение белка в нейроны, а также адресность их облучения светом, можно с беспрецедентной точностью контролировать нейронную активность в живых организмах. Точность метода настолько высока, что в отличие от электростимуляции он позволяет управлять отдельными нейронами.
В испытаниях на мышах ученые заставили центральную и периферическую нервные системы животных производить белок channelrhodopsin-2 и имплантировали крохотные LED-источники света, которые могут светить равномерно и остаются холодными. После введения наркоза на седалищный нерв мышей воздействовали миллисекундными импульсами света. Это вызвало сокращение мышц, подобное тому, что возникает при электростимуляции, но более похожее на нормальную деятельность мышц.
Сечение седалищного нерва мыши со светочувствительными белками (показаны зеленым)
Дело в том, что мышцы состоят из двух различных волокон: малых и медленных, но выносливых, которые используются для выполнения задач, требующих тонкого контроля в течение длительного периода, и больших и быстрых, которые могут быть очень сильными, но раньше устают. Медленные волокна всегда активируются первыми, а быстрые "приберегаются" на случай, если потребуется быстрая отдача мощности или скорости. Когда мышцы стимулируются электрическими импульсами, в первую очередь активируются именно быстрые волокна. С оптогенетическим переключателем волокна работают в нормальном физиологическом порядке, кроме того, можно вызвать сокращение только медленных волокон, что невозможно при электрической стимуляции.
Фактически с помощью оптических переключателей можно полностью "перехватить" управление всеми моторными функциями спящего организма и контролировать его нейросеть. Также можно подавлять активность нервов, например, в случае заболеваний, которые вызывают непроизвольные движения. Сегодня для этого применяются опасные инъекции токсина ботулизма, которые необходимо делать каждые несколько месяцев. Метод бесценен в борьбе с атрофией мышц (которой страдают многие - от людей в инвалидных колясках до космонавтов в невесомости) – достаточно периодически принудительно стимулировать быстрые волокна.
В настоящее время ученые хотят применить технологию на животных, перенесших инсульт, болеющих параличом, боковым амиотрофическим склерозом и другими нервно-мышечными расстройствами. Исследователи надеются, что со временем оптические переключатели начнут использовать для того чтобы помочь пациентам с ограниченными физическими возможностями, вызванными повреждением нервов. Также оптическая стимуляция может использоваться вместо функциональной электростимуляции (FES), в которой электрический ток подводится к конкретным нервам и мышцам. В США производятся устройства FES, которые позволяют в некоторых случаях паралича восстановить функции рук и мочевого пузыря. Однако FES может быстро привести к мышечной усталости, в то время как оптическая стимуляция лишена этого недостатка.
Пока остается несколько технических препятствий, которые задерживают массовое внедрение инновационной технологии. Прежде всего, нужно разработать гарантированно безопасные и эффективные способы доставки channelrhodopsin-2 в организм человека.