Хемогенетику и ультразвук объединили для контроля активности мозга

Фокусированный ультразвук различной степени интенсивности обладает широким потенциалом для контроля активности нейронных сетей. Высокоинтенсивный ультразвук способен стимулировать глубокие слои мозга, что  применяется для терапии болезни Паркинсона, а также разрушать дисфункциональные клетки, позволяя проводить операции на пациентах, пребывающих в сознании, без использования анестезии. В то же время ультразвук низкой интенсивности открывает возможности более тонкого регулирования активности нейронов: гематоэнцефалический барьер, чьи клетки препятствуют проникновению нежелательных веществ из крови в мозг, может быть открыт вибрациями ультразвуковой волны. Пользуясь таким доступом к нервным клеткам, исследователи из Калифорнийского технологического университета смогли «вырастить» на них искусственные  рецепторы, которые активируются под воздействием исключительно синтетических препаратов (DREADDs — Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs), и таким образом «выключать» формирование новых воспоминаний у мышей. Подробности этого исследования можно прочитать в Nature Biomedical Engineering.

Схемы, иллюстрирующие метод ATAC — acoustically targeted chemogenetics (Szablowski et al.)


Неинвазивные способы контроля мозга шагают по научному миру. Ранее мы неоднократно освещали достижения оптогенетики, следующий же метод родился на пересечении возможностей генной инженерии, нейрохимии и использования ультразвука. Ученые из лаборатории Михаила Шапиро (Mikhail Shapiro) объединили несколько существовавших до этого технологий в новый способ контроля активности нервных клеток заданного типа. Ключевыми компонентами метода  ATAC — acoustically targeted chemogenetics — стали:

  • фокусированный ультразвук
  • аденоассоциированный вирус с заданным учеными генетическим кодом и
  • формирующиеся под его воздействием искусственные рецепторы, активируемые исключительно искусственными препаратами.

Каким образом связаны эти компоненты? 

Сначала мышам вводили в кровь мельчайшие воздушные пузырьки и аденоассоциированный вирус, который по своей природе не является патогенным, но встраивает свою ДНК в ДНК носителя. Затем при помощи МРТ находили определенный участок мозга, который необходимо «выключить», в данном случае — гиппокамп. Воздействие на него фокусированной ультразвуковой волны точечно запускало процесс кавитации — схлопывания пузырьков с высвобождением энергии, которая «расшатывает» клетки гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), открывая вирусному вектору путь к нервной ткани. Тогда вирус, способный проникать только в определенный тип клеток, в данном случае — нервных  в области гиппокампа,  встраивал в них ДНК, запрограммированную учеными, включая инструкцию к созданию искусственных аналогов семиспиральных рецепторов. Однако в отличие от естественных белков искусственные рецепторы не реагируют ни на одно химическое вещество, присутствующее в живом организме, и «молчат» до тех пор, пока не будут активированы специальным препаратом, в данном случае — клозапин-N-оксидом. Будучи активированными, рецепторы препятствовали формированию новых воспоминаний.

Каково потенциальное применение возможности к «не-запоминанию»? 

Например, для предотвращения формирования негативных воспоминаний. Так, через час после введения N-оксида-клозапина мышей подвергали электрической стимуляции в определенной среде, а через сутки возвращали в контекст, в котором оказывалось негативное воздействие. Обычно возвращение в ассоциированную со стрессовым воздействием обстановку заставляет мышей испытывать страх, проявляющихся как на физиологическом, так и поведенческом уровнях, однако у участников  эксперимента подобные проявления наблюдались  лишь в незначительном количестве, иначе говоря, была сформирована невосприимчивость к стрессовым стимулам.

Блокирование памяти об испытанном страхе: схема проведения процедуры (Szablowski et al.)


Авторы работы подчеркивают, что предыдущие исследования в данном направлении сочетали в себе использование векторных вирусов или с доставкой сквозь ГЭБ, или для формирования дизайнерских рецепторов, но ни разу все три компонента. Кроме того преимущество данной технологии над другими  в том, что «запрограммированный» исследователями вирус может связываться только с определенным типом клеток — допустим, с нервными, не затрагивая глиальные — тем самым оказывая точечное и обратимое воздействие. Также ученые отмечают, что для применения технологии достаточно одного сеанса воздействия ультразвука, после чего контроль нервной деятельности происходит исключительно использованием препаратов: таким образом сводятся к минимуму риски, возможные при многократном применении ультразвука.


Текст: Наталья Бернацкая

Jerzy O. Szablowski , Audrey Lee-Gosselin, Brian Lue, Dina Malounda and Mikhail G. Shapiro (2018) Acoustically targeted chemogenetics for the non-invasive control of neural circuits. Nature Biomedical Engineering, vol 2, 475–484. https://doi.org/10.1038/s41551-018-0258-2

https://doi.org/10.1038/s41551-018-0258-2