Известно, что оптические методы модуляции клеточной активности являются перспективными как в области фундаментальных исследований, так и в клиническом применении. Однако до настоящего времени большинство доступных методов указанной сферы имели определенные практические ограничения, обусловленные их механической инвазивностью, сопряженностью с генетической модификацией клеток-мишеней или невозможностью обеспечить субклеточную специфичность воздействия. Таким образом, поиск перспективных решений существующих технологических препятствий оставался актуальным вопросом в области оптической нейромодуляции.
В недавнем исследовании, проведенном учеными Чикагского университета (University of Chicago), США, авторы сообщили об успешной разработке нового оптического метода, позволяющего преобразовывать биоэлектрические сигналы межнейронных взаимодействий, используя кремниевые микроволокна. По заключению специалистов, представленная разработка может стать основой не только диагностических, но и терапевтических манипуляций при определенных дисфункциях центральных нервных структур. Результаты исследования опубликованы в издании «Nature Nanotechnology» 19 февраля 2018 г.
В нейрофизиологии оптогенетические методы получили резонансную известность около 10 лет назад, когда впервые были описаны возможности модуляции активности нейронов с помощью света. Однако данные методики были сопряжены с генно-инженерными техниками, предполагающими необходимость внедрения в клетку-мишень известного гена, определяющего ее светочувствительность. В дальнейшем были предложены альтернативные способы модуляции функций нейронов. Однако вариант оптимальной технологии долгое время оставался в пределах перспектив научного поиска.
В решении поставленной задачи коллективом ученых Чикагского университета под руководством профессора Божи Тянь (Bozhi Tian) проведено преобразование микроволокон, ранее разработанных для применения в солнечных батареях. Авторы отмечают, что структура таких нановолокон объединяет два типа кремния, что опосредует возможность генерации слабого электрического разряда при попадании света. При этом дисперсный слой золота на поверхности нановолокон служит катализатором последующих электрохимических реакций. Кроме того, при расположении микроволокна в заданной области и свечении наблюдается незначительное уменьшение разности напряжений между внутренней и внешней частями клетки, что снижает порог передачи электрического сигнала данным нейроном в соседние клетки.
Испытание эффективности разработанной технологии было проведено в экспериментах с лабораторными животными. В итоге установлено, что применение методики действительно инициирует нейронную активность структур мозга животных. Комментируя особенности представленной разработки, авторы подчеркнули важность биологической совместимости материалов на основе кремния и золота, а также возможность естественного сокращения размеров таких наноимплантов после внедрения их в организм в течение нескольких месяцев.
Резюмируя итоги научного проекта, ученые выразили надежду на то, что применение данной технологии сможет расширить представления о механизмах передачи межнейронных биоэлектрических сигналов в структурах головного мозга и потенциально стать одним из возможных терапевтических решений при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона и отдельные психические расстройства.
- Parameswaran R., Carvalho-de-Souza J.L., Jiang Y. et al. (2018) Photoelectrochemical modulation of neuronal activity with free-standing coaxial silicon nanowires. Nat. Nanotechnol., Feb. 19 [Epub. ahead of print].
- University of Chicago (2018) Researchers invent tiny, light-powered wires to modulate brain’s electrical signals. ScienceDaily, Feb. 20 (https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180220124713.htm).
Наталья Савельева-Кулик
