Биоэлектрические импульсы составляют основу межнейронного взаимодействия в сложной деятельности головного мозга, координирующей мышление, ощущения, эмоции и поведенческие реакции. Закономерно, что изучение электрической активности мозга сопряжено с применением контактных электродов. В новом исследовании, проведенном учеными Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology), США, представлен усовершенствованный метод оценки биоэлектрической активности мозга. Указанный способ основан на применении вновь разработанного светочувствительного протеина, который может быть встроен в мембраны нейронов и излучает при этом флуоресцентный сигнал, позволяющий оценить степень напряжения отдельной клетки. По мнению авторов разработки, внедрение этой относительно упрощенной, однако более информативной технологии позволит расширить перспективы в исследовании особенностей нейронного функционирования за определенный временной интервал на фоне реализации структурами головного мозга той или иной задачи. Руководитель исследования Эдвард С. Бойден (Edward S. Boyden), адъюнкт-профессор биологической инженерии и когнитивных наук, отметил, что применение контактных электродов при изучении биоэлектрической активности мозга сравнимо с попыткой понять телефонный разговор, слушая реплики отдельного собеседника. Разработка же новой технологии позволяет регистрировать нейронную активность множества клеток в нейронной цепи и в буквальном смысле «слышать их разговор». Работа опубликована в издании «Nature Chemical Biology» 26 февраля 2018 г.
Известно, что последние десятилетия отмечены исследовательским поиском способа, позволяющего контролировать электрическую активность головного мозга посредством визуализации вместо записи при помощи контактных электродов. Идентификация флуоресцентных молекул, подходящих для визуализации такого рода, была затруднена поиском таких протеинов, которые бы обладали как свойствами сверхчувствительности к изменениям напряжения, так и быстрого реагирования и достаточной устойчивостью к фотообесцвечиванию. Коллективом исследователей под руководством Э.С. Бойдена разработана автоматизированная стратегия поиска подобной молекулы, позволяющая провести экранирование миллионов белков, генерируемых в процессе направленной эволюции протеина по заданным характеристикам. Так, из одного гена были воспроизведены миллионы мутантных генов и выбраны те, которые в наибольшей степени отвечали искомым параметрам поиска, определяющим необходимые биологические свойства. После репликации 1,5 млн мутантных версий светочувствительного белка под названием QuasAr2 исследователи внедряли каждый из этих генов в клетки млекопитающих (в соотношении 1 генетическая версия/1 клетка) и наблюдали рост клеток in vitro. Далее автоматизированной системой оценки проведена идентификация клеток с протеинами, соответствующими критериям научного поиска, при этом наиболее значимыми параметрами отбора являлись расположение белка в клетке и его яркость. На последующем этапе работы был проведен скрининг пяти наиболее оптимальных в отношении искомых критериев протеинов, которые также были подвергнуты мутации, результатом чего стала генерация еще 8 млн новых потенциальных белков. Среди них автоматизированной системой были отобраны лучшие семь, и лишь один протеин, получивший название Archon1, был выбран исследователями как наиболее функциональный для решения поставленной задачи.
Авторы отмечают, что ключевой особенностью Archon1 является его способность к внедрению в клеточную мембрану при поступлении гена в клетку. При этом указанная дислокация протеина является наиболее оптимальной для получения точных результатов измерения уровня напряжения той или иной нервной клетки. Так, применяя разработанный протеин, исследователям удалось провести измерение электрической активности нейронов лабораторных мышей, а также в нервных клетках личинок данио и червей Caenorhabditis elegans.
Авторами научного проекта также установлено, что Archon1 применим в сочетании с оптогенными белками, которые обычно используются для блокирования или стимуляции активности нейронов до тех пор, пока эти белки реагируют на цвета, отличные от красного. В экспериментах с Caenorhabditis elegans исследователи продемонстрировали возможность стимуляции единичных нейронов, применяя синий свет, а затем использования Archon1 для измерения полученного эффекта в нейронах, которые получают импульсы от этой клетки.
В настоящее время внимание авторского коллектива сосредоточено на изучении возможностей внедрения разработанной технологии для оценки биоэлектрической активности мозга у лабораторных мышей, что позволило бы, сопоставляя активность различных нейронных цепей, проводить анализ тех или иных поведенческих реакций животных.
- Massachusetts Institute of Technology (2018) Seeing the brain’s electrical activity. ScienceDaily, Feb. 26 (https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180226122546.htm).
- Piatkevich K.D., Jung E.E., Straub C. et al. (2018) A robotic multidimensional directed evolution approach applied to fluorescent voltage reporters. Nat. Chem. Biol., Feb. 26 [Epub. ahead of print].
Наталья Савельева-Кулик
