Mo Costandi: Geneticky upravený protein „Magneto“ ovládá mozek a chování na dálku

Výzkumníci ve Spojených státech vyvinuli novou metodu ovládání mozkových obvodů spojených se složitým chováním zvířat, a to pomocí genetického inženýrství, které vytvořilo zmagnetizovaný protein, jenž na dálku aktivuje specifické skupiny nervových buněk.

Pochopení toho, jak mozek vytváří chování, je jedním z hlavních cílů neurovědy – a zároveň jednou z jejích nejobtížnějších otázek. V posledních letech vědci vyvinuli řadu metod, které jim umožňují na dálku ovládat určité skupiny neuronů a zkoumat fungování neuronových obvodů.

Nejvýkonnější z nich je metoda zvaná optogenetika, která výzkumníkům umožňuje zapínat nebo vypínat populace příbuzných neuronů v časovém měřítku milisekundy po milisekundě pomocí pulzů laserového světla. Jiná nedávno vyvinutá metoda, nazývaná chemogenetika, využívá upravené proteiny, které jsou aktivovány navrženými léky a mohou být cíleny na specifické typy buněk.

Ačkoli jsou obě tyto metody účinné, mají své nevýhody. Optogenetika je invazivní, protože vyžaduje zavedení optických vláken, která přivádějí světelné pulzy do mozku, a navíc je rozsah, v jakém světlo proniká hustou mozkovou tkání, značně omezen. Chemogenetické přístupy překonávají obě tato omezení, ale obvykle vyvolávají biochemické reakce, které trvají několik sekund, než aktivují nervové buňky.

Nová technika vyvinutá v laboratoři Aliho Gülera na University of Virginia v Charlottesville a popsaná v online publikaci v časopise Nature Neuroscience je nejen neinvazivní, ale dokáže také rychle a reverzibilně aktivovat neurony.

Několik dřívějších studií ukázalo, že proteiny nervových buněk, které se aktivují teplem a mechanickým tlakem, lze geneticky upravit tak, aby byly citlivé na rádiové vlny a magnetická pole, a to připojením k proteinu uchovávajícímu železo zvanému feritin nebo k anorganickým paramagnetickým částicím. Tyto metody představují významný pokrok – byly již například použity k regulaci hladiny glukózy v krvi u myší -, ale zahrnují více složek, které musí být zavedeny samostatně.

Nová technika navazuje na tuto dřívější práci a je založena na proteinu TRPV4, který je citlivý na teplotu i na tahové síly. Tyto podněty otevírají jeho centrální póry a umožňují průchod elektrického proudu buněčnou membránou; to vyvolává nervové impulzy, které se šíří do míchy a pak až do mozku.

Güler a jeho kolegové usoudili, že magnetické točivé (nebo rotační) síly by mohly aktivovat TRPV4 tím, že otevřou jeho centrální pór, a proto použili genové inženýrství k fúzi proteinu s paramagnetickou oblastí feritinu spolu s krátkými sekvencemi DNA, které signalizují buňkám, aby dopravily proteiny k membráně nervové buňky a vložily je do ní.https://www.youtube-nocookie.com/embed/iHTpJNSNFlcManipulace chování zebřiček in vivo pomocí Magneto. Larvy zebřiček vykazují chování při svinování v reakci na lokalizované magnetické pole. Z Wheeler et al (2016).

Když tento genetický konstrukt vložili do buněk lidských embryonálních ledvin rostoucích na Petriho miskách, buňky syntetizovaly protein „Magneto“ a vložily jej do své membrány. Aplikace magnetického pole aktivovala upravený protein TRPV1, což se projevilo přechodným zvýšením koncentrace vápenatých iontů v buňkách, které bylo detekováno fluorescenčním mikroskopem.

Poté vědci vložili sekvenci Magneto DNA do genomu viru spolu s genem kódujícím zelený fluorescenční protein a regulačními sekvencemi DNA, které způsobují, že se konstrukt exprimuje pouze v určitých typech neuronů. Poté vpravili virus do mozku myší, přičemž se zaměřili na entorhinální kůru, a provedli pitvu mozku zvířat, aby identifikovali buňky, které vyzařovaly zelenou fluorescenci. Pomocí mikroelektrod pak prokázali, že působení magnetického pole na plátky mozku aktivuje Magneto tak, že buňky produkují nervové impulsy.

Aby zjistili, zda lze Magneto použít k manipulaci s neuronální aktivitou u živých zvířat, vstříkli Magneto larvám zebřiček a zaměřili se na neurony v trupu a ocasu, které normálně řídí únikovou reakci. Poté umístili larvy zebřiček do speciálně zkonstruovaného zmagnetizovaného akvária a zjistili, že působení magnetického pole vyvolává manévry svinování podobné těm, které se objevují při únikové reakci. (Tohoto experimentu se zúčastnilo celkem devět larev zebřiček a následné analýzy ukázaly, že každá larva obsahovala asi 5 neuronů exprimujících Magneto).

V posledním experimentu vědci vstříkli Magneto do striata volně se chovajících myší, což je hluboká mozková struktura obsahující neurony produkující dopamin, které se podílejí na odměňování a motivaci, a poté zvířata umístili do přístroje rozděleného na zmagnetizované a nezmagnetizované části. Myši exprimující Magneto trávily mnohem více času v zmagnetizovaných oblastech než myši, které ho neměly, protože aktivace proteinu způsobila, že striatální neurony, které ho exprimovaly, uvolňovaly dopamin, takže myši považovaly pobyt v těchto oblastech za odměnu. To ukazuje, že Magneto může na dálku ovládat odpalování neuronů hluboko v mozku a také řídit složité chování.

Neurovědec Steve Ramirez z Harvardovy univerzity, který používá optogenetiku k manipulaci se vzpomínkami v myších mozcích, říká, že studie je „drsná„.

„Předchozí pokusy [s využitím magnetů k řízení neuronální aktivity] vyžadovaly pro fungování systému více komponent – injekci magnetických částic, injekci viru, který exprimuje kanál citlivý na teplo, nebo fixaci hlavy zvířete tak, aby cívka mohla vyvolat změny magnetismu,“ vysvětluje. „Problém s vícesložkovým systémem spočívá v tom, že je zde velký prostor pro to, aby se každá jednotlivá část porouchala.“

„V tomto systému máme jediný, elegantní virus, který lze vstříknout kamkoli do mozku, což je technicky jednodušší a méně pravděpodobné, že se pohyblivé zvonky a píšťalky pokazí,“ dodává, „a jejich behaviorální zařízení bylo chytře navrženo tak, aby obsahovalo magnety, kde je to vhodné, takže se zvířata mohla volně pohybovat.“

„Magnetogenetika“ je tedy důležitým doplňkem nástrojů neurovědců, který se bude nepochybně dále rozvíjet a poskytne vědcům nové způsoby studia vývoje a funkce mozku.

Odkaz

Wheeler, M. A., et al. (2016). Geneticky cílené magnetické řízení nervového systému. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract].

Autor: Mo Costandi

Překlad: zvedavec