Optogenetika bu miya funktsiyalarini o'rganishga nisbatan yangi va umidvor bo'lgan uslubiy yondashuvlardan biri

2014 yilgi eng yaxshi ilmiy natijalaridan biri bo'lgan Science jurnali genetik jihatdan yaratilgan laboratoriya hayvonlarida individual neyronlarni nur bilan nurlantirish orqali miya neyronal jarayonlarini o'ta aniq manipulyatsiyasi bo'yicha ishlarning natijalarini tan oldi. Bunday optogenetik usuldan foydalangan holda, Massachusets Texnologiya Instituti (AQSh) bir guruh olimlari yomon xotiralarni yaxshi xotiralarga aylantirib, xotiraga ta'sir o'tkazishga muvaffaq bo'lishdi.

Miya funktsiyalarini o'rganishning klassik yondashuvlari miyaning ma'lum bir qismini yo'q qilishga yoki uning kimyoviy yoki elektr stimulyatsiyasi / bostirilishiga va sodir bo'lgan o'zgarishlarni keyinchalik tahlil qilishga asoslangan. Biroq, bu juda qo'pol manipulyatsiyalar, masalan, buzilishlar sodir bo'lgan neyronlarning turini aniq aniqlashga imkon bermaydi (va neyronlar funktsiyasi, morfologik va biokimyoviy xususiyatlari va genlarning ekspressioni (faollashuvi) profilidan farq qiladi), bu esa olingan ta'sirlarni tushunishni qiyinlashtiradi. Zamonaviy molekulyar genetik texnologiyalar miya to'qimalarida individual genlarning ekspressionini manipulyatsiya qilishgacha nozik protseduralarni amalga oshirishga imkon beradi, bu aniqroq natijalar beradi.

Optogenetika - bu miya funktsiyalarini o'rganishga nisbatan yangi va umidvor bo'lgan uslubiy yondashuvlardan biri. Optogenetik usul neyronlarning faoliyatini va shunga mos ravishda nur yordamida miyaning ishini tashqi tartibga solishga imkon beradi. Buning uchun birinchi navbatda miya hujayralariga nurga sezgir bo'lgan maxsus oqsilni kodlovchi genni kiritish kerak, u nur bilan faollashganda genetik muhandislik usullari yordamida neyronning qo'zg'alishi yoki inhibisyonuna olib keladi. Shunday qilib, neyronning faoliyatini tartibga solish, ushbu genning ifodasini "yoqish" va "o'chirish" mumkin bo'ladi. Bunday holda, yorug'lik lazer yordamida to'g'ridan-to'g'ri eksperimental hayvonning miyasiga - sichqon yoki kalamushga unga joylashtirilgan optik tolali yorug'lik qo'llanmasi orqali beriladi. Yorug'likka sezgir bo'lgan retseptorlari oqsillari, opsinlar ko'plab organizmlarda mavjud (masalan, dengiz hayvonlaridan tortib to odamgacha bo'lgan ko'plab hayvonlarning retinasida uchraydigan ko'rish pigmenti rodopsin). Yorug'lik ta'siri ostida rodopsin vositachi oqsillar yordamida neyronning qo'zg'alishini keltirib chiqaradi, ion kanallarining ochilishi sodir bo'ladi va qo'zg'alish asab yo'llari bo'ylab yanada uzatiladi. Optogenetika vazifalari uchun eng qulay bo'lgan suv o'tlaridan ajratilgan ChR2 nurli sezgir oqsili edi (kanal rodopsin-2), u o'zi hujayralar membranasi orqali kationlarning o'tishi uchun kanal bo'lib xizmat qiladi.

Optogenetik yondashuv yordamida neyronal jarayonlarni manipulyatsiya qilish imkoniyati to'g'risida taxminni 1999 yilda DNK tuzilishini kashf etganlardan biri bo'lgan Nobel mukofoti sovrindori F. Krik ilgari surgan edi (Krik, 1999). Keyinchalik bu usul mevali chivinlar bo'yicha tajribalarda muvaffaqiyatli qo'llanildi (Zemelman va boshq., 2002, 2003). Bir ozdan so'ng, optogenetik yondashuv sutemizuvchilarga - laboratoriya kalamushlari va sichqonlarga - K.Deyserot va E.Boyden boshchiligidagi bir qator tadqiqotchilar tomonidan qo'llanilib, ular ChR2 dan foydalanishni boshladilar, shuningdek, boshqa bir qator opsinlar (Boyden va boshq., 2005; Adamantidis va boshq., 2007). Ma'lum bo'lishicha, optogenetik manipulyatsiyalar, masalan, eksperimental hayvonlardagi ba'zi bir anormalliklarni tuzatishga imkon beradi, masalan, anhedoniya - lazzatlanishni rad etish, tashvishlanish oqibatlari, shuningdek post-travmatik kasalliklar bilan bog'liq epizodik xotira etishmovchiligi (Konvington va boshq., 2010; Tye va boshq.). , 2011; Goshen va boshq., 2011).

Neyrologiyaning asosiy vazifalaridan biri bu xotiraning neyron asoslarini ochishdir. Axir bizning xotiramiz vaqt o'tishi bilan o'zgarib boradi: xotiralar susayishi mumkin, ba'zan esa hech qachon bo'lmagan voqealarni "eslab qolishimiz" mumkin. Xotiramizdagi o'zgarishlar yuzaga kelishining sabablaridan biri bu bizning xotiralarimizdagi hissiy kontekstning o'zgarishi. Masalan, ishqiy kechki ovqat haqida yoqimli xotiralar tupurishdan keyin to'xtab qolishi mumkin va garchi bu holatda fazoviy xotira saqlanib qolsa-da, ijobiy uyushmalar yo'qoladi. Bizning fazoviy xotiramiz ("qaerda?" Hissiy xotira eslash va o'rganish jarayonlari bilan chambarchas bog'liq deb ishoniladi. Amigdala neyronlari miyaning motor va gormonal tizimlariga signallarni "afzallik" va "qochish" javoblarida bevosita ishtirok etadigan signallarni uzatadi (LeDoux, 2014).

2014 yilda Massachusets Texnologiya Institutining bir guruh tadqiqotchilari Nobel mukofoti sovrindori S. Tonegava boshchiligida fazoviy va emotsional xotira vakolatxonalari o'rtasidagi munosabatlarni o'rganish natijalarini va shu kabi uyushmalarni boshqarish imkoniyatlarini (Redondo et al., 2014). Olimlar optogenetik yondashuvni qo'llashdi va ular tajribalarini miyasiga joylashtirilgan erkak laboratoriya sichqonlarida o'tkazdilar.

yorug'lik qo'llanmasi. Tajriba o'tkazilgan sichqonlar c-fos tTA genetik liniyasiga tegishli edi: bu hayvonlarda o'rganish va xotirani shakllantirish jarayonida ifoda etilgan c-fos genining ekspressioni tartibga solinishi mumkin. Ushbu gen yemga antibiotik doksisiklin qo'shib "o'chirilgan". Eksperimental hayvonlar qo'shimcha ravishda hipokampus va amigdala neyronlariga nurga sezgir bo'lgan ChR2 oqsilini kodlovchi genni kiritib, qo'shimcha ravishda "takomillashtirildi".

Optogenetik usul miyaga joylashtirilgan optik-tolali yorug'lik qo'llanmasi orqali to'g'ridan-to'g'ri nurga ta'sir qilish orqali miyani tashqaridan ishlashga imkon beradi. Ilgari, genetik muhandislik usullari yordamida bir vaqtning o'zida ion kanali bo'lgan nurga sezgir oqsilni kodlaydigan neyronlarga gen kiritilishi kerak edi: yorug'lik ta'sirida bu neyronning qo'zg'alishi yoki inhibisyoniga olib keladi.

Tajribada sichqonlarning bir guruhi avval kuchsiz elektr tokining ta'siriga uchragan ("jazo"), urg'ochilar esa boshqa guruhga yuborilgan ("mukofot"). Ushbu doksisiklin sichqoncha parhezidan chiqarilguniga qadar c-fos geni gipokampus va amigdalaning faol neyronlarida ifodalangan va shunga muvofiq ChR2 oqsillari ishlab chiqarilgan. Natijada, o'ziga xos mekansal va emotsional xotirani shakllantirishda ishtirok etgan neyronlar ushbu nurga sezgir oqsil bilan "etiketlangan". Shundan so'ng, gen ekspressionini "o'chirish" va shu bilan salbiy yoki ijobiy xotiraning neyron izini saqlab qolish uchun yana dietaga antibiotik qo'shildi. Keyin ular yana o'sha eksperimental qurilmaga joylashtirildi va nurni qo'llash orqali ular ChR2 oqsilini o'z ichiga olgan neyronlarni faollashtirdilar. Bir kun oldin elektr toki urgan sichqonlarda yorug'lik ta'sirida "qo'rquv xotirasi" faollashdi, shuning uchun ular jazo joyidan faol ravishda qochishni boshladilar. Va, aksincha, bir kun oldin urg'ochi bilan "xurmo" qilgan hayvonlar, "baxt xotirasini" faollashtirgandan so'ng, uzoq vaqt davomida "yoqimli" daqiqalarni eslab, tajriba xonasida qolishdi.

Eksperimentning keyingi bosqichida hissiy sharoitga qarab xotirani o'zgartirish imkoniyatini sinab ko'rishga qaror qilindi. Agar gipokampusning tegishli neyronlari optogenetik ravishda faollashtirilgan "qo'rquv xotirasi" bo'lgan sichqonlar urg'ochilar bilan joylashtirilsa, u holda bu joy bilan uyushmalar dastlab salbiydan ijobiy tomonga "o'tishadi".

Aytgancha, amigdala neyronlari faollashgandan keyin assotsiatsiyalarni mukofotdan qo'rqishga "teskari" o'tish qiyin bo'lib chiqdi.

Bundan tashqari, tadqiqotchilar o'zlarining yana bir ishlarida eksperimental hayvonlarda yolg'on xotirani shakllantirishga muvaffaq bo'lishdi! Sichqonlar birinchi navbatda neytral kameraga (shartli ravishda "xona A") joylashtirildi, nurga sezgir oqsil ularning hipokampal neyronlarini shu joyda bo'lish bilan bog'liqligini "belgilab qo'ydi". Keyin hayvonlar boshqa kameraga joylashtirildi (shartli ravishda "B kamerasi"), u erda ular elektr toki urishiga duch kelishdi va bir vaqtning o'zida ularda "A kamera" haqida fazoviy ma'lumotlarni olib yuradigan gipokampal neyronlarni optogenetik faollashtirdilar. Keyinchalik, sichqonlar "A xonasi" dan qochishni boshladilar, ammo ular hech qachon "jazoga" duchor qilinmagan (Ramirez va boshq., 2013).

Xotiraning yomondan yaxshi tomonga o'zgarishi va aksincha o'zgarishi mumkinligi azaldan ma'lum bo'lgan, ammo hozirgina ongni bunday almashtirish mexanizmlari ochila boshladi. Optogenetika usulidan foydalanish va genetik jihatdan modifikatsiyalangan hayvonlardan foydalanish kelajakda miyaning asab yo'llarini batafsil xaritada aks ettirishga imkon beradi. Bu bizni nafaqat miyaning neyrobiologik jarayonlarini chuqurroq anglashga, balki oxir-oqibat, bugungi kunda insoniyatning to'rtdan bir qismiga ta'sir qiladigan ruhiy kasalliklarni davolashning printsipial yangi yondashuvlarini yaratishga yaqinlashtiradi. Va agar biz miyaning asosiy vazifasi butun organizm ustidan markazlashgan boshqaruvdir deb hisoblasak, u holda uning ish sirlarini ochib berish zamonaviy jamiyatning o'zi rivojlanishiga katta turtki berishi mumkin.