Przecław News

Informacje o Polsce. Wybierz tematy, o których chcesz dowiedzieć się więcej w Wiadomościach Przecławia.

Naukowcy kontrolują obwody mózgowe na odległość za pomocą światła podczerwonego

Naukowcy kontrolują obwody mózgowe na odległość za pomocą światła podczerwonego

Wyobraź sobie mózg jako gigantyczną klawiaturę pokrytą tysiącami przycisków, pokręteł, pokręteł i dźwigni, które kontrolują aspekty naszego myślenia, emocji, zachowania i pamięci. (Możesz rozważyć film Inside Out, jeśli chcesz.)

Od ponad wieku neuronaukowcy systematycznie włączają i wyłączają te przełączniki, pojedynczo lub łącznie, aby spróbować zrozumieć, jak działa urządzenie jako całość. Łatwiej to powiedzieć niż zrobić. Obwody komórkowe, które kontrolują umysł i zachowanie, są splątane w galaretowatej, nieprzejrzystej masie naszej tkanki mózgowej i nie są wyposażone w ręczne włączniki/wyłączniki dla łatwej inżynierii wstecznej.

Teraz naukowcy z Instytutu Neuronauki Wu Cai na Uniwersytecie Stanforda opracowali pierwszą nieinwazyjną technologię kontrolowania docelowych obwodów mózgowych u zwierząt zachowujących się na odległość. Narzędzie ma potencjał, aby rozwiązać jedną z największych niezaspokojonych potrzeb w neuronauce: sposób na przetestowanie funkcji pewnych komórek mózgowych i obwodów głęboko w mózgu podczas normalnego zachowania — jak myszy swobodnie komunikujące się ze sobą.

Badania zostały opublikowane 21 marca 2022 r. w czasopiśmie Nature Biomedical Engineering przez Guosong Hong i współpracowników z Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze. Hong jest naukowcem w Wu Cai Institute of Neurosciences College oraz adiunktem inżynierii materiałowej w Stanford School of Engineering i wykorzystuje swoje doświadczenie w chemii i materiałoznawstwie do opracowania biokompatybilnych narzędzi i materiałów, które pomogą w badaniach nad mózgiem.

Nowo opublikowana technika opiera się na fundamencie optogenetyki, technologii opracowanej po raz pierwszy w Stanford przez firmę Wu Tsai Neuro Karla Deisserotha i jej współpracowników, która wprowadza światłoczułe białka alg do neuronów, aby umożliwić naukowcom ich włączanie lub wyłączanie w odpowiedzi na różne kolory. światła.

„Optogenetyka była narzędziem transformacyjnym w neuronauce, ale istnieją ograniczenia tego, co można zrobić za pomocą obecnych technologii – częściowo ze względu na ich zależność od światła w widmie widzialnym” – powiedział Hong. „Mózg jest całkowicie nieprzezroczysty dla światła widzialnego, więc doprowadzenie światła do komórek, które chcesz stymulować, zazwyczaj wymaga inwazyjnych implantów optycznych, które mogą powodować uszkodzenie tkanek, oraz światłowodów przymocowanych do czaszki, co utrudnia badanie wielu rodzajów normalnego zachowania ”.

READ  Umiarkowany równik Marsa wydaje się być bogaty w opalizującą wodę • log

Jako naukowiec zajmujący się materiałami, Hong zdał sobie sprawę, że tkanki biologiczne – w tym mózg, a nawet czaszka – są zasadniczo przezroczyste dla światła podczerwonego, co umożliwia dostarczanie światła znacznie głębiej do mózgu.

Ponieważ obecne narzędzia optogenetyczne nie reagują na światło podczerwone, zespół Honga zwrócił się do cząsteczki ewolucyjnej, aby odkryć inną formę światła podczerwonego: ciepło. Poprzez sztuczne wyposażenie określonych neuronów w mózgu myszy w cząsteczkę wrażliwą na temperaturę o nazwie TRPV1, jego zespół odkrył, że możliwe jest stymulowanie modulowanych komórek poprzez oświetlanie czaszką i skórą głowy światłem podczerwonym z odległości do jednego metra.

TRPV1 to molekularny czujnik ciepła, który pozwala nam odczuwać ból związany z upałem – a także palącą ostrą paprykę – i którego odkrycie doprowadziło do przyznania Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny w 2021 r. Podobna przyszłość daje grzechotnikom i innym żmijom żmijowym „widzenie ciepła”, które pozwala im polować na zdobycz ze zwierzętami Ciepła krew w ciemności, a niedawne badania dały myszom zdolność widzenia w widmie podczerwieni poprzez dodanie TRPV1 do komórek stożka siatkówki.

Nowa technologia opiera się również na cząsteczce „przetwornika”, którą można wstrzyknąć do docelowych obszarów mózgu w celu pochłaniania i wzmacniania światła podczerwonego, które przenika do tkanki mózgowej. Nazwane MINDS (dla wielkocząsteczkowych nanoprzetworników podczerwieni do głębokiej stymulacji mózgu), te nanocząsteczki działają trochę jak melanina w naszej skórze, która pochłania szkodliwe promienie UV ze słońca i są wykonane z biodegradowalnych polimerów używanych do produkcji substancji organicznych. Ogniwa słoneczne i światła LED.

„Najpierw próbowaliśmy stymulować komórki samymi kanałami TRPV1 i to w ogóle nie działało” – powiedział Hong. „Okazuje się, że grzechotniki mają znacznie bardziej czuły sposób wykrywania sygnałów podczerwonych niż my jesteśmy w stanie obsłużyć w mózgu myszy. Na szczęście pomogła nam materiałoznawstwo”.

Zespół Honga po raz pierwszy zademonstrował swoją technikę, dodając kanały TRPV1 do neuronów po jednej stronie kory ruchowej myszy – regionu, który reguluje ruchy ciała – i wstrzykując w ten sam obszar molekuły MINDS. Początkowo myszy losowo badały swoje pomieszczenia, ale kiedy naukowcy skierowali światło podczerwone na obudowę, myszy natychmiast zaczęły chodzić w kółko, pod wpływem jednostronnej stymulacji kory ruchowej.

READ  Poprawa magazynowania węgla w glebie

„To był wspaniały moment, kiedy wiedzieliśmy, że to zadziała” – powiedział Hong. „Oczywiście to był dopiero początek walidacji i testowania możliwości tej technologii, ale od tego momentu byłem pewien, że coś mamy”.

W innym dużym eksperymencie naukowcy wykazali, że MINDS może umożliwić stymulowanie neuronów w podczerwieni przez całą głębokość mózgu myszy. Wprowadzili kanały TRPV1 do neuronów z ekspresją dopaminy w mózgowych ośrodkach nagrody, które znajdują się w pobliżu podstawy mózgu u myszy, a następnie wstrzyknięto MINDS w ten sam region. Następnie umieścili skupione światło podczerwone na jednym z trzech ramion standardowego labiryntu na ramionach promienistych i wykazali, że myszy „uzależniły się” od niewidzialnego światła podczerwonego, które łaskocze neurony dopaminy – spędzając prawie cały czas w labiryncie pod jego promieniami.

Ten eksperyment wykazał, że nowa technologia umożliwia stymulowanie neuronów w dowolnym miejscu mózgu przez zdrową skórę głowy i czaszkę – bez rozpraszania światła, które uniemożliwia to w przypadku światła w widmie optycznym. Co ciekawe, działało to nawet wtedy, gdy wiązka światła podczerwonego została umieszczona do metra nad głowami zwierząt.

Hong widzi natychmiastowe zastosowanie tej techniki w rozwoju neuronauki, aby zbadać obwody mózgowe zaangażowane w normalne zachowania społeczne u myszy, aby lepiej zrozumieć systemy, które leżą u podstaw poznania społecznego u ludzi.

„Podobnie jak my, myszy są gatunkiem społecznym, ale badanie normalnego zachowania zwierząt w grupie społecznej jest wyzwaniem przy użyciu mocowanej na głowie liny światłowodowej” – powiedział Hong. Takie podejście po raz pierwszy umożliwia modyfikację określonych neuronów i obwodów u swobodnie zachowujących się zwierząt. Można by skierować niewidzialne światło podczerwone na wybieg z zagnieżdżonymi myszami, aby zbadać wkład określonych komórek i obwodów w zachowanie zwierząt w grupie społecznej”.

Powiedział, że Hong i jego współpracownicy nadal ulepszają technologię, aby była prostsza i łatwiejsza do wdrożenia. „W przyszłości chcielibyśmy połączyć nasze obecne dwuetapowe podejście w jedną maszynę molekularną – być może poprzez kodowanie niektórych barwników absorbujących podczerwień w neuronach wyrażających ten sam TRP”.

READ  Naukowcy pokazują sposób na łagodzenie ekstremalnych zjawisk pogodowych

Praca jest jednym z kilku podejść, które Hong zaangażował w umożliwienie naukowcom – i być może pewnego dnia klinicystom – niechirurgicznej modyfikacji obwodów neuronowych w mózgu. Na przykład Hong i współpracownicy opracowują również nanokulki, które mogą przekształcać skupione wiązki ultradźwięków w światło, które można wstrzykiwać bezpośrednio do krwioobiegu, umożliwiając celowanie w komórki fotoniczne w dowolne miejsce mózgu i zmianę tego kierowania do woli. Jedno doświadczenie.

„Tradycyjne metody neuromodulacji dały nam możliwość jednoczesnego przełączenia kilku przełączników w mózgu, aby zobaczyć, co robią różne obwody” – powiedział Hong. „Naszym celem jest posunięcie tych technologii o krok dalej, aby zapewnić nam precyzyjną kontrolę nad całą rozdzielnicą w tym samym czasie”.

Badania te zostały sfinansowane z początkowego grantu Wu Cai Institute for Neurosciences w Stanford, Stanford BioX oraz ze stypendium dla absolwentów Uniwersytetu Stanforda; Dzięki grantowi na rozpoczęcie działalności z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang i Funduszu Badań Akademickich Ministerstwa Edukacji Singapuru; Oraz przez amerykańską Narodową Fundację Nauki (NSF), Narodowy Instytut Starzenia NIH, Fundację Rita Allen i Fundację Spinal Muscular Atrophy.

sprawdzenie:

  1. Xiang Wu, Yuyan Jiang, Nicholas J. Rommelfanger, Fan Yang, Qi Zhou, Rongkang Yin, Junlang Liu, Sa Cai, Wei Ren, Andrew Shin, Kyrstyn S. Ong, Kanyi Pu, Guosong Hong. Głęboka stymulacja fototermiczna mózgu u swobodnie zachowujących się szczurów poprzez oświetlenie szerokiego pola w oknie bliskiej podczerwieni II. Natura Inżynierii Biomedycznej, 2022; DOI: 10.1038 / s41551-02200862-w
/Ogólne wydanie. Ten materiał z oryginalnych organizacji może mieć charakter punktowy i jest zredagowany dla jasności, stylu i długości. Wyrażone opinie i opinie są opiniami autora(ów). Pokaż to w całości tutaj.