Оптогенетиката най-ярките мисли, наука и живот
Павел Елизариев, Институт по генна биология, Руска академия на науките
Преди около десет години изследователите разполагаха с уникален инструмент за изследване на нервните клетки.
Мозъкът се състои от милиарди клетки - неврони, организирани в сложни мрежи. Трудно е да се следи работата на отделни групи неврони, още по-трудно е да се контролират. Преди около десет години обаче изследователите разполагаха с уникален инструмент за изследване на нервните клетки. Сега невроните могат да се включват или изключват, като просто се насочи лъч светлина към тях и то точно в мозъка. Методът, който „осветява“ изследването на мозъка през последните години, се нарича оптогенетика.
В очакване на нов метод
Удобно е да изучавате работата на всяка система, като изключвате отделните й части една по една. По този начин можете да идентифицирате онези от тях, които са важни за работата на цялата система. След като идентифицирахме ключовите елементи на системата, е полезно да се научим как да ги манипулираме, след което можем да контролираме процеса по наша преценка и да го проучим подробно. Когато става въпрос за изследване на нервната система, прилагането на този подход е изправено пред сериозни затруднения.
Човешкият мозък съдържа около 80 милиарда неврони, които образуват сложни разклонени мрежи. Смята се, че всяка отделна невронна мрежа може да дефинира някаква елементарна функция. Взаимодействието на тези мрежи в различни области на мозъка осигурява сложна невронна активност. В продължение на много години функциите на мозъчните структури се оценяват по нарушенията, които се появяват, когато частите му са повредени, или от това кои области на мозъка са активни, когато субектите изпълняват различни задачи.
Интересни резултати са получени при експерименти с животни, в чиито мозъци са имплантирани електроди с цел изкуствено възбуждане на определени части на мозъка. Проведени са проучвания и върху животни, използващи химикали, способни селективно да инхибират работата на някои видове неврони. Всеки от тези методи обаче има значителни недостатъци: или едновременно въздействие върху голям брой неврони, или ниска временна разделителна способност. Дори и най-малкият електрод, имплантиран в мозъка, безразборно възбужда всички околни нервни клетки и най-модерният химичен инхибитор трае много по-дълго от естествените стимули.
Идеята да се контролират невроните „на точката“ е ясно изразена за първи път през 1979 г. от Франсис Крик (който получи Нобелова награда за откриването на структурата на ДНК). Двадесет години по-късно, през 1999 г., той предлага да се използва светлина за възбуждане на невроните. Светлинната радиация има много предимства: тя достига целта бързо, лесно се дозира и представя в кратки импулси. През 2005 г. група изследователи от Станфордския университет под ръководството на Карл Дисертс успяха да възбудят нервните клетки, като ги облъчват със светлина. За това невроните трябваше да бъдат подложени на манипулации с генно инженерство. Новият метод беше наречен оптогенетика и през последните години направи революция в изследването на нервната система.
За да стане невронът чувствителен към светлина, той трябва да има протеин - светлинен рецептор. Пример за неврони, които са естествено чувствителни към светлина, са клетките в ретината. Те съдържат рецептора родопсин, който се състои от протеин, наречен опсин, и кофактора на ретината, производно на витамин А. Когато е изложен на светлина, ретината променя структурата си и тези промени се предават на протеина, който активира сигналните пътища на невронът, който причинява възбуждането му. В покой невронът се зарежда отрицателно: вътре в клетката концентрацията на натрий и други положителни йони е ниска. При възбуждане йонните канали във външната мембрана на неврона се включват, изпомпвайки положителен натрий вътре. Зарядът вътре в клетката става положителен. В това състояние невронът е възбуден и готов да предаде сигнал на останалите неврони в мрежата.
Първите опити за създаване на задвижвани от светлината неврони се състоят от прехвърляне на гени на опсин на бозайници в тях. Четенето на нов ген в такива неврони води до синтеза на светлочувствителен протеин. Тази работа, извършена в началото на 2000-те, имаше много ограничен успех. Под въздействието на светлината изкуствените неврони с родопсин се активират бавно и нестабилно. Невроналните системи за сигнализация не са проектирани да взаимодействат с родопсин. Изглеждаше, че едва възникващата оптогенетика е стигнала до задънена улица. Решението дойде неочаквано.
Животните не са единствените, които трябва да се чувстват леки. Например, едноклетъчните водорасли притежават чувствителни към светлина рецептори. Тяхната "визия" също се основава на работата на родопсините. Забележително свойство на тези протеини е, че те не само възприемат светлината, но самите те действат като йонни канали и предизвикват възбуждане на клетките. Затова е обичайно да ги наричаме канални родопсини. Оказа се, че тези протеини работят много по-стабилно от родопсините на бозайници. Невроните, носещи ги на повърхността си, дават бърз и ясен отговор на светлинното лъчение. Първият канал родопсин е открит от американците D. Osterhelt и V. Stokenius през 1971 г., но минават повече от 30 години, преди родопсините на микроорганизмите и невроните на бозайниците да се „срещнат“. В хода на изследванията върху микробни родопсини бяха открити множество светлочувствителни протеини с различни свойства. Някои от тях провеждат натриеви йони, други - няколко вида положителни йони наведнъж. Напротив, има родопсини, които премахват положителните йони от клетките. Те са в състояние да облекчат възбудата. По този начин е възможно не само целенасочено да се активират, но и да се изключат невроните. Особено забележителни са родопсините, които възприемат светлината с различни дължини на вълната. Това ви позволява едновременно и независимо да контролирате различни групи неврони, използвайки например синя и червена светлина.