Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για τον έλεγχο των εγκεφαλικών λειτουργιών, χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική για να δημιουργήσουν μια μαγνητισμένη πρωτεΐνη που ενεργοποιεί συγκεκριμένες ομάδες νευρικών κυττάρων από απόσταση.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος δημιουργεί συμπεριφορές είναι ένας από τους απώτερους στόχους της νευροεπιστήμης και ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματά της. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια σειρά από μεθόδους που τους επιτρέπουν να ελέγχουν εξ' αποστάσεως συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων και να διερευνούν τη λειτουργία των νευρωνικών κυκλωμάτων.
Η πιο ισχυρή από αυτές είναι μια μέθοδος που ονομάζεται οπτογενετική, η οποία επιτρέπει στους ερευνητές να ενεργοποιούν ή να απενεργοποιούν πληθυσμούς σχετικών νευρώνων σε χρονική κλίμακα χιλιοστού του δευτερολέπτου προς χιλιοστό του δευτερολέπτου με παλμούς φωτός λέιζερ. Μια άλλη μέθοδος που αναπτύχθηκε πρόσφατα, που ονομάζεται χημειογενετική, χρησιμοποιεί κατασκευασμένες πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται από σχεδιαστικά φάρμακα και μπορούν να στοχευθούν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων.
Αν και είναι ισχυρές και οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα.
Η οπτογενετική είναι επεμβατική και απαιτεί την εισαγωγή οπτικών ινών που μεταδίδουν τους παλμούς φωτός στον εγκέφαλο και, επιπλέον, ο βαθμός στον οποίο το φως διεισδύει στον πυκνό εγκεφαλικό ιστό είναι σοβαρά περιορισμένος. Οι χημειογενετικές προσεγγίσεις ξεπερνούν και τους δύο αυτούς περιορισμούς, αλλά συνήθως προκαλούν βιοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται αρκετά δευτερόλεπτα για να ενεργοποιηθούν τα νευρικά κύτταρα.
Η νέα τεχνική, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο του Ali Güler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville και αναλυθεί σε μια διαδικτυακή δημοσίευση στο περιοδικό Nature Neuroscience δεν είναι μόνο μη επεμβατική, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει νευρώνες γρήγορα και αναστρέψιμα.
Αρκετές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες των νευρικών κυττάρων που ενεργοποιούνται από τη θερμότητα και τη μηχανική πίεση μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά έτσι ώστε να γίνουν ευαίσθητες στα ραδιοκύματα και τα μαγνητικά πεδία προσκολλώντας τα σε μια πρωτεΐνη αποθήκευσης σιδήρου, που ονομάζεται φερριτίνη ή σε ανόργανα παραμαγνητικά σωματίδια .
Αυτές οι μέθοδοι αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο, για παράδειγμα, έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα σε ποντίκια, αλλά περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά που πρέπει να εισαχθούν χωριστά.
Η νέα τεχνική βασίζεται σε αυτό το προηγούμενο έργο και βασίζεται σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται TRPV4, η οποία είναι ευαίσθητη τόσο στη θερμοκρασία όσο και στις δυνάμεις τεντώματος .
Αυτά τα ερεθίσματα ανοίγουν τον κεντρικό πόρο, επιτρέποντας στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτό προκαλεί νευρικές παρορμήσεις που ταξιδεύουν στον νωτιαίο μυελό και στη συνέχεια μέχρι τον εγκέφαλο.
Ο Güler και οι συνάδελφοί του σκέφτηκαν ότι οι δυνάμεις μαγνητικής ροπής (περιστρεφόμενες) θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν την πρωτεΐνη TRPV4 ανοίγοντας τον κεντρικό πόρο.
Έτσι χρησιμοποίησαν γενετική μηχανική για να συντήξουν την πρωτεΐνη στην παραμαγνητική περιοχή της φερριτίνης, μαζί με σύντομες αλληλουχίες DNA, που σηματοδοτούν τα κύτταρα να μεταφέρουν πρωτεΐνες στη μεμβράνη του νευρικού κυττάρου και να τις εισαγάγουν σε αυτές.
Όταν εισήγαγαν αυτό το γενετικό κατασκεύασμα σε ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα που αναπτύσσονταν σε "πιάτα Petri", τα κύτταρα συνέθεσαν την πρωτεΐνη «Magneto» και την εισήγαγαν στη μεμβράνη τους. Η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου ενεργοποίησε την τροποποιημένη πρωτεΐνη TRPV1, όπως αποδεικνύεται από παροδικές αυξήσεις στη συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου εντός των κυττάρων, οι οποίες ανιχνεύθηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές εισήγαγαν την αλληλουχία DNA Magneto στο γονιδίωμα ενός ιού, μαζί με το γονίδιο που κωδικοποιεί την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη και ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA που προκαλούν την έκφραση της κατασκευής μόνο σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνων.
Στη συνέχεια έκαναν ένεση του ιού στους εγκεφάλους των ποντικών, στοχεύοντας τον ενδορινικό φλοιό για να ανατέμνουν τους εγκεφάλους των ζώων για να αναγνωρίσουν τα κύτταρα που εκπέμπουν πράσινο φθορισμό. Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, έδειξαν στη συνέχεια ότι η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου στους νευρωδιαβιβαστές του εγκεφάλου ενεργοποίησε την Magneto, έτσι ώστε τα κύτταρα να παράγουν νευρικές παρορμήσεις.
Για να προσδιορίσουν εάν η Magneto μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον χειρισμό της νευρωνικής δραστηριότητας σε ζωντανά ζώα, έκαναν ένεση με πρωτεΐνη Magneto σε προνύμφες ψαριών zebra, στοχεύοντας νευρώνες στον κορμό και την ουρά που συνήθως ελέγχουν μια απόκριση διαφυγής.
Στη συνέχεια τοποθέτησαν τις προνύμφες του ψαριού ζέβρα σε ένα ειδικά κατασκευασμένο μαγνητισμένο ενυδρείο και διαπίστωσαν ότι η έκθεση σε ένα μαγνητικό πεδίο προκάλεσε ελιγμούς περιέλιξης παρόμοιους με αυτούς που συμβαίνουν κατά την απόκριση διαφυγής. (Αυτό το πείραμα περιελάμβανε συνολικά εννέα προνύμφες ψαριών ζέβρας και οι επόμενες αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κάθε προνύμφη περιείχε περίπου 5 νευρώνες που εκφράζουν την Magneto.)
Σε ένα τελευταίο πείραμα, οι ερευνητές έκαναν ένεση με Magneto στο ραβδωτό σώμα ποντικών που συμπεριφέρονταν ελεύθερα, μια βαθιά δομή του εγκεφάλου που περιέχει νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη που εμπλέκονται στην ανταμοιβή και το κίνητρο και στη συνέχεια τοποθέτησαν τα ζώα σε μια συσκευή χωρισμένη σε μαγνητισμένα και μη μαγνητισμένα τμήματα.
Τα ποντίκια που δέχθηκαν την Magneto πέρασαν πολύ περισσότερο χρόνο στις μαγνητισμένες περιοχές από τα ποντίκια που δεν την δέχθηκαν, επειδή η ενεργοποίηση της πρωτεΐνης προκάλεσε στους ραβδωτούς νευρώνες την απελευθερώσει ντοπαμίνη, με αποτέλεσμα τα ποντίκια να βρίσκονταν σε αυτές τις περιοχές ικανοποιημένα.
Αυτό δείχνει ότι η πρωτεΐνη Magneto μπορεί να ελέγξει εξ' αποστάσεως τον εγκέφαλο και επίσης να ελέγξει πολύπλοκες συμπεριφορές...
Genetically engineered 'Magneto' protein remotely controls brain and behaviour
“Badass” new method uses a magnetised protein to activate brain cells rapidly, reversibly, and non-invasively
Researchers in the United States have developed a new method for controlling the brain circuits associated with complex animal behaviours, using genetic engineering to create a magnetised protein that activates specific groups of nerve cells from a distance.
Understanding how the brain generates behaviour is one of the ultimate goals of neuroscience – and one of its most difficult questions. In recent years, researchers have developed a number of methods that enable them to remotely control specified groups of neurons and to probe the workings of neuronal circuits.
The most powerful of these is a method called optogenetics, which enables researchers to switch populations of related neurons on or off on a millisecond-by-millisecond timescale with pulses of laser light. Another recently developed method, called chemogenetics, uses engineered proteins that are activated by designer drugs and can be targeted to specific cell types.
Although powerful, both of these methods have drawbacks. Optogenetics is invasive, requiring insertion of optical fibres that deliver the light pulses into the brain and, furthermore, the extent to which the light penetrates the dense brain tissue is severely limited. Chemogenetic approaches overcome both of these limitations, but typically induce biochemical reactions that take several seconds to activate nerve cells
The new technique, developed in Ali Güler’s lab at the University of Virginia in Charlottesville, and described in an advance online publication in the journal Nature Neuroscience, is not only non-invasive, but can also activate neurons rapidly and reversibly.
Several earlier studies have shown that nerve cell proteins which are activated by heat and mechanical pressure can be genetically engineered so that they become sensitive to radio waves and magnetic fields, by attaching them to an iron-storing protein called ferritin, or to inorganic paramagnetic particles. These methods represent an important advance – they have, for example, already been used to regulate blood glucose levels in mice – but involve multiple components which have to be introduced separately.
The new technique builds on this earlier work, and is based on a protein called TRPV4, which is sensitive to both temperature and stretching forces. These stimuli open its central pore, allowing electrical current to flow through the cell membrane; this evokes nervous impulses that travel into the spinal cord and then up to the brain.
Güler and his colleagues reasoned that magnetic torque (or rotating) forces might activate TRPV4 by tugging open its central pore, and so they used genetic engineering to fuse the protein to the paramagnetic region of ferritin, together with short DNA sequences that signal cells to transport proteins to the nerve cell membrane and insert them into it.
When they introduced this genetic construct into human embryonic kidney cells growing in Petri dishes, the cells synthesized the ‘Magneto’ protein and inserted it into their membrane. Application of a magnetic field activated the engineered TRPV1 protein, as evidenced by transient increases in calcium ion concentration within the cells, which were detected with a fluorescence microscope.
Next, the researchers inserted the Magneto DNA sequence into the genome of a virus, together with the gene encoding green fluorescent protein, and regulatory DNA sequences that cause the construct to be expressed only in specified types of neurons. They then injected the virus into the brains of mice, targeting the entorhinal cortex, and dissected the animals’ brains to identify the cells that emitted green fluorescence. Using microelectrodes, they then showed that applying a magnetic field to the brain slices activated Magneto so that the cells produce nervous impulses.
To determine whether Magneto can be used to manipulate neuronal activity in live animals, they injected Magneto into zebrafish larvae, targeting neurons in the trunk and tail that normally control an escape response. They then placed the zebrafish larvae into a specially-built magnetised aquarium, and found that exposure to a magnetic field induced coiling manouvres similar to those that occur during the escape response. (This experiment involved a total of nine zebrafish larvae, and subsequent analyses revealed that each larva contained about 5 neurons expressing Magneto.)
In one final experiment, the researchers injected Magneto into the striatum of freely behaving mice, a deep brain structure containing dopamine-producing neurons that are involved in reward and motivation, and then placed the animals into an apparatus split into magnetised a non-magnetised sections. Mice expressing Magneto spent far more time in the magnetised areas than mice that did not, because activation of the protein caused the striatal neurons expressing it to release dopamine, so that the mice found being in those areas rewarding. This shows that Magneto can remotely control the firing of neurons deep within the brain, and also control complex behaviours.
Neuroscientist Steve Ramirez of Harvard University, who uses optogenetics to manipulate memories in the brains of mice, says the study is “badass”.
“Previous attempts [using magnets to control neuronal activity] needed multiple components for the system to work – injecting magnetic particles, injecting a virus that expresses a heat-sensitive channel, [or] head-fixing the animal so that a coil could induce changes in magnetism,” he explains. “The problem with having a multi-component system is that there’s so much room for each individual piece to break down.”
“This system is a single, elegant virus that can be injected anywhere in the brain, which makes it technically easier and less likely for moving bells and whistles to break down,” he adds, “and their behavioral equipment was cleverly designed to contain magnets where appropriate so that the animals could be freely moving around.”
‘Magnetogenetics’ is therefore an important addition to neuroscientists’ tool box, which will undoubtedly be developed further, and provide researchers with new ways of studying brain development and function.
Reference
Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetically targeted magnetic control of the nervous system. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract]
Το iokh.gr δημοσιεύει κάθε σχόλιο το οποίο είναι σχετικό με το θέμα. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι υιοθετεί τις απόψεις αυτές. Διατηρεί το δικαίωμα να μην δημοσιεύει συκοφαντικά, υβριστικά, ρατσιστικά ή άλλα σχόλια που προτρέπουν σε άσκηση βίας. Επίσης, σχόλια σε greeklish δεν θα δημοσιεύονται ενώ το iokh.gr, όταν και όπου κρίνει, θα συμμετέχει στον διάλογο.
Δημοσίευση σχολίου
Blogger Facebook