Ультразвук активирует нервные клетки нематоды

Метод «соногенетики» можно использовать для неинвазивной стимуляции специфических нейронов у животных.

Специалисты по нейронаукам использовали ультразвук для стимуляции отдельных клеток головного мозга червя нематоды и надеются, что подход, названный ими «соногенетикой», можно будет адаптировать для включения нейронов у мышей и более крупных животных.

Метод основан на использовании чувствительных белков-каналов, которые легко можно внедрить в клетки мозга посредством генной инженерии. Каналы открываются при воздействии ультразвукового импульса, позволяющего ионам проникнуть в нейрон и, таким образом, «включить» его.

Ультразвук может стать менее инвазивным способом стимуляции отдельных типов клеток или отдельных нейронов, по сравнению с использованием имплантированных электродов или опто-волоконного кабеля, считает нейробиолог Срикант Чаласани (Sreekanth Chalasani) из Института Биологических Исследований в Ла-Хойя (Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, США). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications [1].

«Мы надеемся создать набор из разных каналов, которые могли бы отвечать на ультразвук различной интенсивности», - говорит Чаласани.

«Это прекрасная идея, и ребята показали, что она может быть действительно реализуемой, – говорит Джон Пирс-Шимомура (Jon Pierce-Shimomura), специалист по нейробиологии, исследовавший нематоду Caenorhabditis elegans, из Университета Техаса в Остине (University of Texas at Austin, США), - Этот подход может открыть новый путь неинвазивных манипуляций над нервной системой посредством генетически кодируемых инструментов».

Осветить клетку

Настоящее исследование относится к области оптогенетики – популярного метода, при котором нейроны генетически изменены таким образом, что могут активироваться светом. Оптогенетика основана на вставке светочувствительных белков-каналов в нейроны. При возбуждении светом определенного цвета, часто посылаемого в головной мозг через оптоволоконный кабель, каналы открываются, позволяя ионам проникнуть в клетку.

По словам Уильяма Тайлера (William Tyler), специалиста по нейроинженерии, работающего с ультразвуковой стимуляцией мозга в Университете Штата Аризона (Arizona State University, США), соногенетика не заместит оптогенетику. «Данная работа просто предлагает еще один инструмент», - говорит ученый.

Ультразвук используется в медицине на протяжении многих лет. Волны низкой интенсивности позволяют врачам осуществлять мониторинг плода и сердечной функции. Высокочастотные импульсы можно использовать для разогрева или разрушения некоторых пораженных тканей. По словам Тайлера, в последние годы исследователи проявляют все возрастающий интерес к использованию ультразвука для неинвазивной стимуляции мозга и нервов как людей, так и животных. Тайлер и его исследовательская группа опубликовали одну из первых статей по ультразвуковой стимуляции мозга человека в 2014 г. [2].

И хотя в ходе предыдущих исследований проводилась стимуляция отдельных областей головного мозга, соногенетика показала возможность активирования клеток специфического типа или отдельных нейронов, отмечает Чаласани. Его исследовательская группа обнаружила, что ионный канал TRP-4 чувствителен к ультразвуку, и на него можно воздействовать, достигая значительного эффекта.

Поскольку ультразвук плохо распространяется по воздуху, исследователи сначала поместили червя в чашку Петри, частично погруженную в водяную баню. Они посылали короткие ультразвуковые импульсы в чашку и усиливали слабые волны, добавляя микроскопические липидные пузырьки на поверхность чашки Петри.

Вводя белок TRP-4 в нейроны с различными функциями, исследователи могли заставить свободно извивающихся червей изменять направление, останавливать их вращение или повысить частоту извиваний в ответ на короткие импульсы ультразвука низкого давления.

Чаласани надеется, что, в конце концов, метод можно будет применять на других животных. Исследовательская группа готовится проверить систему на мышах, хотя канал TRP-4 в норме у них не присутствует, поэтому не ясно, как будет вести себя белок или, возможно, другие ионные каналы будут работать лучше.

Даже если даже соногенетика будет широко применяться в фундаментальных исследованиях, трансляция метода на человека может быть ограничена из-за проблем с генетическим воздействием на экспрессию ионных каналов, отмечает Чаласани. «Большой вопрос как оптогенетики, так и соногенетики заключается в том, как безопасно доставить этот ионный канал в клетку или тип клеток вашего интереса», - говорит исследователь.

Однако, по словам Тайлера, инвазивные генетические манипуляции могут не быть необходимыми для реализации принципов, лежащих в основе соногенетики на человеке. Может оказаться, что нейроны других типов из-за отличающихся белковых каналов и физической структуры по природе чувствительны и контролируются другими последовательностями ультразвуковых импульсов, независимо от того, могут ли они быть генетически модифицированы.

Соногенетика использует ультразвук для включения нейронов у нематод. (фото Salk Institute for Biological Studies)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: doi:10.1038/nature.2015.18368

Литература:
1. Ibsen, S., Tong, A., Schutt, C., Esener, S. & Chalasani, S. H. Nature Commun. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms9264 (2015).
2. Legon, W., et al. Nature Neurosci. 17, 322–329 (2014).