Управление животными с помощью фотоники: сенсоры в мозгу

Методы фотоники уже произвели революцию в индустрии телекоммуникаций. Теперь на очереди — биология.
Дмитрий Мамонтов
3
8746
  • Научный сотрудник Лаборатории фотоники и нелинейной спектроскопии физфака МГУ Любовь Амитонова демонстрирует световод, разработанный для оптогенетических исследований.
    Научный сотрудник Лаборатории фотоники и нелинейной спектроскопии физфака МГУ Любовь Амитонова демонстрирует световод, разработанный для оптогенетических исследований.
  • Периодическая поперечная структура микроструктурированных (выше) или фотонно-кристаллических (ниже) волокон позволяет изменять различные оптические характеристики, такие как дисперсия и нелинейность. При этом появляется возможность управлять спектральными или временными характеристиками лазерных импульсов — например, сжимать их, растягивать, усиливать или смещать по частоте.
    Периодическая поперечная структура микроструктурированных (выше) или фотонно-кристаллических (ниже) волокон позволяет изменять различные оптические характеристики, такие как дисперсия и нелинейность. При этом появляется возможность управлять спектральными или временными характеристиками лазерных импульсов — например, сжимать их, растягивать, усиливать или смещать по частоте.
  • Как работает оптогенетика С помощью оптогенетических методов исследователи получают возможность воздействия на выбранные нейроны с помощью световых импульсов
    Как работает оптогенетика С помощью оптогенетических методов исследователи получают возможность воздействия на выбранные нейроны с помощью световых импульсов
  • Чувствительные к свету ионные каналы позволяют управлять нейронами. Ченнелродопсин-2 (ChR2) под воздействием синего света с длиной волны 470 нм открывает доступ ионам натрия в клетку, что приводит к возбуждению нейрона, а галородопсин (NpHR) под действием желтого света (589 нм) открывает доступ ионам хлора, затормаживая нейрон.
    Чувствительные к свету ионные каналы позволяют управлять нейронами. Ченнелродопсин-2 (ChR2) под воздействием синего света с длиной волны 470 нм открывает доступ ионам натрия в клетку, что приводит к возбуждению нейрона, а галородопсин (NpHR) под действием желтого света (589 нм) открывает доступ ионам хлора, затормаживая нейрон.
  • Принцип действия CARS-микроскопии состоит в использовании когерентных пучков лазерного излучения — накачки и стоксова, которые должны точно попасть в резонанс с частотой собственных колебаний молекулы. В качестве пробного пучка может выступать пучок накачки. Сигнал на соответствующей частоте позволяет увидеть «нужные» молекулы.
    Принцип действия CARS-микроскопии состоит в использовании когерентных пучков лазерного излучения — накачки и стоксова, которые должны точно попасть в резонанс с частотой собственных колебаний молекулы. В качестве пробного пучка может выступать пучок накачки. Сигнал на соответствующей частоте позволяет увидеть «нужные» молекулы.

На экране — обычная лабораторная мышь. Из-за кадра к ее голове тянутся два тонких световода. Она сидит, а потом начинает бегать по кругу. На первый взгляд не очень впечатляет. Хотя, конечно, на самом деле мышь не совсем обычная: нейроны у нее в мозгу управляются напрямую световыми импульсами. Это типичная демонстрация метода, который в последнее десятилетие произвел настоящую революцию в области нейробиологии — оптогенетике.

Сенсоры и актуаторы

«Что такое оптогенетика? Это использование генетически кодируемых молекул-индикаторов, которые могут служить сенсорами протекающих в клетках биологических процессов и способны за счет своих оптических свойств (флуоресценции под действием лазерного излучения или собственной люминесценции) сообщать об этом исследователям, — говорит Константин Анохин, руководитель отдела нейронаук НИЦ «Курчатовский институт», заведующий лабораторией нейробиологии памяти НИИ нормальной физиологии РАМН. — Это так называемая прямая оптогенетика. А есть еще и обратная — это использование генетически кодируемых молекул-актуаторов, которые при их возбуждении светом способны изменить работу клетки. Среди актуаторов чаще всего сейчас используют ионные каналы бактерий или водорослей. Если с помощью генетического кодирования вставить эти каналы в мембраны клеток млекопитающих, они в ответ на свет определенных длин волн будут открываться, пропуская ионы и тем самым изменяя электрический потенциал клеток. Наибольшее применение оптогенетика получила при изучении клеток нервной системы, в особенности мозга».

Точечные удары

Первые эксперименты в области оптогенетики были проведены в лабораториях Йельского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфорда всего лишь около десятилетия назад, но метод уже заслужил репутацию революционного в среде нейробиологов. «В коре головного мозга множество различных типов нейронов, которые выполняют разные функции, — объясняет Константин Анохин. — Эти нейроны объединены в сети, которые, собственно, и есть мозг. Чтобы понять, как работают эти сети, нужно вмешаться в их работу. Раньше это достигалось методами «ковровых бомбардировок». Представьте себе мозг в виде мегаполиса, в котором действует очень маленькая, в десяток человек, шпионская сеть. Так вот раньше, чтобы узнать механизм работы этой сети, мы, условно говоря, сбрасывали на город атомную бомбу, поскольку никакого другого оружия у нас не было. Оптогенетику же можно сравнить по избирательности с точечными ударами: сенсоры или актуаторы можно вставить, например, только в нужный тип клеток и воздействовать именно на них. Это предоставляет ученым недостижимую ранее избирательность в воздействии и возможность понимания тонких механизмов работы отдельных элементов сетей в мозге».

Включать и выключать

Второй важный момент, характерный для оптогенетики, — это возможность двунаправленного прецизионного управления работой сетей в головном мозге. Раньше для стимуляции отдельных областей использовались электрические импульсы, подаваемые на вживленные в мозг электроды, но такое воздействие позволяет лишь возбуждать нейроны, и, кроме того, оно достаточно грубо и «инерционно». С помощью оптогенетики воздействие можно сделать очень тонким, то есть отрабатывать даже очень короткие импульсы и не только возбуждать, но и затормаживать нужные нейроны. Последнее может сыграть важную роль не только в фундаментальной нейробиологии, но и в прикладной медицине: например, вводя актуаторы в нейроны в очаге эпилептической активности и включив «торможение», можно прервать приступ эпилепсии.

Фотоника

Оптические методы и системы для экспериментов, проводимых в лаборатории нейронаук НИЦ «Курчатовский институт», разрабатывают в лабораториях физического факультета МГУ и Российского квантового центра. «Оптоволоконные интерфейсы — это инструмент для широкого класса задач, которые не ограничиваются оптогенетикой, — говорит заведующий лабораторией фотоники и нелинейной спектроскопии физфака МГУ, руководитель группы «Передовая фотоника» Российского квантового центра Алексей Желтиков. — Для оптогенетики мы не стали ограничиваться обычными оптическими волокнами (окруженная оболочкой кварцевая сердцевина, в которой благодаря полному внутреннему отражению «запирается» световой импульс), а стали разрабатывать новые типы световодов — микроструктурированные и фотонно-кристаллические».

Что такое фотонные кристаллы? Это, объясняет Алексей Желтиков, одно-, двух- или трехмерные структуры с периодом порядка длины волны: «Такое строение придает фотонным кристаллам необычные оптические свойства — скажем, в некоторых направлениях свет может распространяться, а в других — нет. Фотонные кристаллы существуют в природе: чешуя рыб, крылья бабочек или перламутр обязаны своими радужными цветами именно периодической структуре. Микроструктурированные и фотонно-кристаллические световоды также имеют сложную поперечную структуру, от ее геометрии зависят фундаментальные свойства светового поля. Меняя геометрию и содержание воздуха в волноводе, можно получить волокно с различными свойствами. Управляя дисперсией, то есть показателем преломления для различных длин волн, можно добиваться того, что распространяющийся внутри лазерный импульс будет удлиняться, укорачиваться или оставаться неизменным. Управлять можно не только дисперсией: окружив кварцевую сердцевину воздушным промежутком, можно увеличить нелинейность волокна и получить нелинейные оптические эффекты даже при невысоких мощностях импульсов».

Нелинейное зрение

Конечно, для оптогенетических нейроинтерфейсов можно обойтись намного более простыми решениями. Но в лаборатории Алексея Желтикова разрабатывают и другие методы исследования биологических систем, основанные на нелинейных оптических эффектах. Основная проблема состоит в том, что эти эффекты требуют высокой интенсивности светового излучения. В биологической ткани происходит ионизация, которая запускает множество фотохимических реакций, а энергия импульса поглощается и разрушает клетку. Поэтому одна из важнейших задач в нелинейной микроскопии — получение как можно более коротких импульсов, при этом можно значительно увеличить интенсивность, но снизить общую энергию импульса. Вот для этого-то и используются фотонно-кристаллические волокна с нужными параметрами, где лазерный импульс по мере прохождения «сжимается».

Типичный пример нелинейного оптического эффекта — двухфотонная микроскопия, то есть люминесценция при резонансном поглощении двух фотонов. В качестве метки обычно используют известный зеленый флуоресцентный белок GFP, ген которого вводят в нужные клетки. Двухфотонная флуоресценция позволяет избирательно «зажигать» нужные области образца под воздействием излучения ближнего ИК-диапазона. Преимущество такого подхода в том, что ИК-излучение проникает в биологические ткани глубже, чем видимое, так что этим методом можно визуализировать в образце области на глубине порядка 1 мм.

«Метод двухфотонной люминесценции требует наличия в клетках образца метки — белка GFP. Но можно сделать так, что метка вообще будет не нужна! — говорит Алексей Желтиков. — Ведь у каждой молекулы есть своя собственная частота колебаний, и это ее метка. И если мы видим рассеяние света на данных частотах, мы можем сделать вывод о наличии данных молекул. На этом основана CARS-микроскопия, которая использует эффект когерентного антистоксова рассеяния света. Но обычно для CARS нужен перестраиваемый по частоте лазер, а это сильно усложняет конструкцию микроскопа. В нашей лаборатории мы нашли способ обойтись без отдельного перестраиваемого лазера: мы используем основной лазерный пучок и специально разработанное фотонно-кристаллическое волокно, которое позволяет сдвигать импульсы по частоте».

Увидеть воспоминания

«В мозге существуют функциональные распределенные сети клеток, — говорит Константин Анохин. —  Чтобы понять, как они работают, как возникают, как общаются друг с другом, как образуют память, нам нужны инструменты для избирательного слежения и воздействия на элементы таких сетей. И мы научились делать это — нашли гены, которые активируются в момент образования сети нервных клеток. Мы хотим подключить к этим генам оптогенетические сенсоры и актуаторы. Это даст возможность визуализировать нейроны в момент образования сети или избирательно активировать их, извлекая воспоминания».

Дополнять, но не отменять

Было бы совершенно ошибочным считать, что с появлением оптогенетики все остальные методы исследований мозга уйдут в прошлое. Конечно, оптогенетика имеет серьезные преимущества в виде избирательности воздействия, точности и возможности как возбуждения, так и торможения нейронов. Однако существующие методы, такие как электроэнцефалография (ЭЭГ), магнитоэнцефалография (МЭГ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), регистрация вызванных потенциалов, регистрация активности отдельных нейронов с помощью микроэлектродов, функциональная магниторезонансная томография (фМРТ), имеют свои сильные стороны. Например, функции высшей нервной деятельности, связанные с сознанием человека, можно исследовать с помощью фМРТ, но не методами оптогенетики, которые применимы только к животным. К тому же такие методы, как фМРТ и МЭГ, позволяют видеть глобальную картину происходящего в мозгу, в то время как оптогенетика — только локальные области.

Оперировать светом

Фотоника — это область науки и технологии, где исследователи оперируют фотонами примерно таким же образом, как в электронике обращаются с электронами. В рамках фотоники разрабатываются различные источники фотонов (от лазеров и светодиодов до синхротронов), фотонные «провода» — оптические волноводы и волокна, оптические усилители, устройства управления потоком фотонов (в том числе фотонные кристаллы) и различные детекторы.

Статья «Засветить прямо в мозг» опубликована в журнале «Популярная механика» (№139, май 2014).

Комментарии

3 комментария