Управление животными спомощью фотоники: сенсоры вмозгу

29.07.2011 Наука и жизнь

Научный сотрудник Лаборатории фотоники и нелинейной спектроскопии физфака МГУ Любовь Амитонова демонстрирует световод, созданный для оптогенетических изучений.
Периодическая поперечная структура микроструктурированных (выше) либо фотонно-кристаллических (ниже) волокон разрешает изменять разные оптические характеристики, такие как нелинейность и дисперсия.

Наряду с этим появляется возможность руководить спектральными либо временными чертями лазерных импульсов — к примеру, сжимать их, растягивать, усиливать либо смещать по частоте.
Как трудится оптогенетика Посредством оптогенетических способов исследователи приобретают возможность действия на выбранные нейроны посредством световых импульсов
Чувствительные к свету ионные каналы разрешают руководить нейронами.

Ченнелродопсин-2 (ChR2) под действием светло синий света с длиной волны 470 нм открывает доступ ионам натрия в клетку, что ведет к возбуждению нейрона, а галородопсин (NpHR) под действием желтого света (589 нм) открывает доступ ионам хлора, затормаживая нейрон.Управление животными спомощью фотоники: сенсоры вмозгу
Принцип действия CARS-микроскопии пребывает в применении когерентных пучков лазерного излучения — накачки и стоксова, каковые должны совершенно верно попасть в резонанс с частотой собственных колебаний молекулы.

В качестве пробного пучка может выступать пучок накачки. Сигнал на соответствующей частоте разрешает заметить «необходимые» молекулы.

На экране — простая лабораторная мышь. Из-за кадра к ее голове тянутся два узких световода. Она сидит, а позже начинает бегать по кругу.

На первый взгляд не весьма впечатляет. Не смотря на то, что, само собой разумеется, в действительности мышь не совсем простая: нейроны у нее в мозгу управляются напрямую световыми импульсами. Это обычная демонстрация способа, что в последнее десятилетие произвел настоящую революцию в области нейробиологии — оптогенетике.

Сенсоры и актуаторы

«Что такое оптогенетика? Это применение генетически кодируемых молекул-индикаторов, каковые могут служить сенсорами протекающих в клетках биологических процессов и могут за счет собственных оптических особенностей (флуоресценции под действием лазерного излучения либо собственной люминесценции) информировать об этом исследователям, — говорит Константин Анохин, начальник отдела нейронаук НИЦ «Курчатовский университет», заведующий лабораторией нейробиологии памяти НИИ обычной физиологии РАМН. — Это так называемая прямая оптогенетика.

А имеется еще и обратная — это применение генетически кодируемых молекул-актуаторов, каковые при их возбуждении светом способны поменять работу клетки. Среди актуаторов значительно чаще на данный момент применяют ионные каналы бактерий либо водорослей. В случае если посредством генетического кодирования засунуть эти каналы в мембраны клеток млекопитающих, они в ответ на свет определенных длин волн будут раскрываться, пропуская ионы и тем самым изменяя электрический потенциал клеток.

Громаднейшее использование оптогенетика взяла при изучении клеток нервной совокупности, в особенности мозга».

Точечные удары

Первые опыты в области оптогенетики были совершены в лабораториях Йельского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфорда всего лишь около десятилетия назад, но способ уже заслужил репутацию революционного в среде нейробиологов. «В коре головного мозга множество разных типов нейронов, каковые делают различные функции, — растолковывает Константин Анохин. — Эти нейроны объединены в сети, каковые, фактически, и имеется мозг. Чтобы выяснить, как трудятся эти сети, необходимо вмешаться в их работу.

Раньше это достигалось способами «ковровых бомбардировок». Представьте себе мозг в виде мегаполиса, в котором действует весьма маленькая, в дюжина человек, шпионская сеть. Так вот раньше, дабы определить механизм работы данной сети, мы, условно говоря, сбрасывали на город ядерную бомбу, потому, что никакого другого оружия у нас не было.

Оптогенетику же возможно сравнить по избирательности с точечными ударами: сенсоры либо актуаторы возможно засунуть, к примеру, лишь в необходимый тип клеток и влиять именно на них. Это предоставляет ученым недостижимую ранее избирательность в действии и возможность понимания узких механизмов работы отдельных элементов сетей в мозге».

Включать и выключать

Второй принципиальный момент, характерный для оптогенетики, — это возможность двунаправленного прецизионного управления работой сетей в головном мозге. Раньше для стимуляции отдельных областей употреблялись электрические импульсы, подаваемые на вживленные в мозг электроды, но такое действие разрешает только возбуждать нейроны, и, помимо этого, оно достаточно грубо и «инерционно».

Посредством оптогенетики действие возможно сделать весьма узким, другими словами отрабатывать кроме того весьма маленькие импульсы и не только возбуждать, но и затормаживать необходимые нейроны. Последнее может сыграть ключевую роль не только в фундаментальной нейробиологии, но и в прикладной медицине: к примеру, вводя актуаторы в нейроны в очаге эпилептической активности и включив «торможение», возможно прервать приступ эпилепсии.

Фотоника

системы и Оптические методы для опытов, проводимых в лаборатории нейронаук НИЦ «Курчатовский университет», разрабатывают в лабораториях физического факультета московского университета и Российского квантового центра. «Оптоволоконные интерфейсы — это инструмент для широкого класса задач, каковые не ограничиваются оптогенетикой, — говорит заведующий лабораторией фотоники и нелинейной спектроскопии физфака МГУ, начальник группы «Передовая фотоника» Российского квантового центра Алексей Желтиков. — Для оптогенетики мы не стали ограничиваться простыми 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, растолковывает Алексей Желтиков, одно-, двух- либо трехмерные структуры с периодом порядка длины волны: «Такое строение придает фотонным кристаллам необыкновенные оптические особенности — скажем, в некоторых направлениях свет может распространяться, а в других — нет. Фотонные кристаллы существуют в природе: чешуя рыб, крылья бабочек либо перламутр обязаны собственными радужными цветами как раз периодической структуре.

Микроструктурированные и фотонно-кристаллические световоды кроме этого имеют сложную поперечную структуру, от ее геометрии зависят основные особенности светового поля. Меняя содержание и геометрию воздуха в волноводе, возможно взять волокно с разными особенностями. Руководя дисперсией, другими словами показателем преломления для разных длин волн, возможно получать того, что распространяющийся в лазерный импульс будет удлиняться, сокращаться либо оставаться неизменным.

Руководить возможно не только дисперсией: окружив кварцевую сердцевину воздушным промежутком, возможно расширить нелинейность волокна и взять нелинейные оптические эффекты кроме того при низких мощностях импульсов».

Нелинейное зрение

Само собой разумеется, для оптогенетических нейроинтерфейсов возможно обойтись намного более несложными ответами. Но в лаборатории Алексея Желтикова разрабатывают и другие способы изучения биологических совокупностей, основанные на нелинейных оптических эффектах. Главная проблема заключается 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. Исходя из этого одна из наиболее значимых задач в нелинейной микроскопии — получение максимально маленьких импульсов, наряду с этим возможно существенно расширить интенсивность, но снизить неспециализированную энергию импульса. Вот для этого-то и употребляются фотонно-кристаллические волокна с нужными параметрами, где лазерный импульс по мере прохождения «сжимается».

Обычный пример нелинейного оптического результата — двухфотонная микроскопия, другими словами люминесценция при резонансном поглощении двух фотонов. В качестве метки в большинстве случаев применяют узнаваемый зеленый флуоресцентный белок GFP, ген которого вводят в необходимые клетки. Двухфотонная флуоресценция разрешает избирательно «зажигать» необходимые области примера под действием излучения ближнего ИК-диапазона.

Преимущество для того чтобы подхода в том, что ИК-излучение попадает в биологические ткани глубже, чем видимое, так что этим способом возможно визуализировать в примере области на глубине порядка 1 мм.

«Способ двухфотонной люминесценции требует наличия в клетках примера метки — белка GFP. Но возможно сделать так, что метка по большому счету будет не нужна! — говорит Алексей Желтиков. — Так как у каждой молекулы имеется собственная частота колебаний, и это ее метка. И в случае если мы видим рассеяние света на данных частотах, мы можем сделать вывод о наличии данных молекул.

На этом основана CARS-микроскопия, которая применяет эффект когерентного антистоксова рассеяния света. Но в большинстве случаев для CARS нужен перестраиваемый по частоте лазер, а это очень сильно усложняет конструкцию микроскопа. В отечественной лаборатории мы нашли метод обойтись без отдельного перестраиваемого лазера: мы используем главной лазерный пучок и намерено созданное фотонно-кристаллическое волокно, которое разрешает сдвигать импульсы по частоте».

Заметить воспоминания

«В мозге существуют функциональные распределенные сети клеток, — говорит Константин Анохин. —Чтобы выяснить, как они трудятся, как появляются, как общаются между собой, как образуют память, нам необходимы инструменты для воздействия и избирательного слежения на элементы таких сетей. И мы обучились делать это — нашли гены, каковые активируются в момент образования сети нервных клеток. Мы желаем подключить к этим генам оптогенетические сенсоры и актуаторы.

Это предоставит шанс визуализировать нейроны в момент образования сети либо избирательно активировать их, извлекая воспоминания».

Дополнять, но не отменять

Было бы совсем ошибочным вычислять, что с возникновением оптогенетики все остальные способы изучений мозга уйдут в прошлое. Само собой разумеется, оптогенетика имеет важные преимущества в виде избирательности действия, возможности и точности как возбуждения, так и торможения нейронов.

Но существующие способы, такие как электроэнцефалография (ЭЭГ), магнитоэнцефалография (МЭГ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), регистрация вызванных потенциалов, регистрация активности отдельных нейронов посредством микроэлектродов, функциональная магниторезонансная томография (фМРТ), имеют собственные сильные стороны. К примеру, функции высшей нервной деятельности, которые связаны с сознанием человека, возможно изучить посредством фМРТ, но не способами оптогенетики, каковые применимы лишь к животным. К тому же такие способы, как фМРТ и МЭГ, разрешают видеть глобальную картину происходящего в мозгу, тогда как оптогенетика — лишь локальные области.

Оперировать светом

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

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

Случайные записи:

ARK Survival Evolved | Управление дино через свист.


Похожие статьи, которые вам понравятся: