Намагнічені наночастинки в мозку покерували поведінкою мишей

Наномедики змогли використати магнітне поле та намагнічені наночастинки для контролю активності окремих ділянок мозку у мишей, що відобразилось на поведінці тварин. Таким чином вчені змогли впливати на апетит мишей та їх прагнення піклуватись про потомство. Головна перевага нової технології, яку назвали nano-MIND, полягає у її неінвазивності, що стане у пригоді для більш детального вивчення ролі окремих нейронів у формуванні поведінки. Щоправда, тепер вченим також треба буде детальніше вивчити довгострокові наслідки магнітогенетичної стимуляції на здоров’я мозку, щоб переконатись у її безпечності. Дослідження опублікували в журналі Nature Nanotechnology.

Навіщо експериментували з магнітними частинками у мозку мишей?

Наразі доступні різноманітні підходи до вивчення зв'язків між активністю нейронів та поведінкою, але більшість з них вимагає безпосереднього втручання в мозок тварини, що створює певні обмеження. Наприклад, оптогенетика дозволяє генетично модифікувати окремі білки в нейронах, щоб клітини почали вмикатись у відповідь на світло визначеної довжини. Обмеження полягає у тому, що вченим також потрібно знерухомити піддослідну мишу, щоб відкрити шматочок її черепа та імплантувати оптичне волокно.

Звісно, такий підхід спричиняє тварині стрес та може пошкодити тканини мозку. Схожа проблема виникає при використанні електрофізіологічних методів. У цьому випадку нейрони стимулюються завдяки електричному струму, що передається від електродів введених у мозок. Ще одним недоліком цього методу є його низька селективність: електрод збуджує певну ділянку мозку, але не може бути використаний, наприклад, щоб специфічно вмикати тільки один бажаний тип клітин.

Тому, щоб вивчати роботу мозку і поведінку з набагато вищою точністю, дослідники Центру наномедицини у Сеулі вирішили пошукати неінвазивні методи, які б дозволили керувати окремими клітинами у мозку вільноживучих тварин.

Як намагнічені наночастинки вмикають нейрони?

У своєму дослідженні вчені зосередилися на властивостях йонних каналів — ключових структурах нейронів, що відповідають за проходження електричних сигналів у мозку. Ці електричні сигнали являють собою потік різноманітних йонів, наприклад, кальцію через мембрану клітини. Власне цей потік і контролюють різні типи йонних каналів, кожен з яких реагує на певний фактор, взаємодія з яким змушує канал відкритися і почати пропускати йони, а в потрібний момент закритися, щоб не перевантажити клітину.

Контролюючи йонні канали, науковці можуть вмикати окремі ділянки мозку або навіть вибіркові нейрони та вивчати вплив їх активності на поведінку тварин. І у цій роботі наномедики змусили окремі типи клітин мозку мишей експресувати на своїй мембрані йонний канал PIEZO1.

Його особливість полягає в тому, що він реагує на механічний стрес, наприклад, тиск або розтягнення клітинної мембрани. У відповідь він відкривається та починає пропускати всередину кальцій, що впливає на активність клітини. Відтак вчені додали в тканини мозку мишей намагнічені наночастинки, а самих тварин посадили у конструкцію, що створювала навколо них магнітне поле протягом 5-30 хвилин. За цей час магнітне поле призводило наночастинки у рух, що спричиняло тиск на чутливий канал PIEZO1 і змушувало його відкритись.

Як активація нейронів вплинула на поведінку мишей?

В одному експерименті дослідники використали магнітне поле для збудження нейронів медіальної преоптичної області гіпоталамуса — регіону, який вважається важливим для регуляції батьківської поведінки. Миші, у яких нейрони цієї області були активовані наночастинками, демонстрували піклування про мишенят, хоча самі навіть не були матерями. Вони швидше взаємодіяли з мишенятами і переносили їх до гнізда, в той час, як миші з контрольної групи не проявляли жодної цікавості до малюків.

В іншому експерименті дослідники змогли змінити харчову поведінку мишей шляхом збудження клітин в латеральному гіпоталамусі. У цьому регіоні розташовані два типи нейронів: ГАМКергічні, чия активація пов’язана з підвищеним апетитом, та глутаматергічні, які навпаки зупиняють бажання їсти. І дійсно, вчені змогли спостерігати, як миші, чиї ГАМКергічні нейрони містили канал PIEZO1, тобто вмикались під дією магнітного поля, демонстрували кращий апетит: вони проводили у зоні харчування вдвічі більше часу порівняно з контролем. А от миші з активованими глутаматергічними нейронами навпаки під дією магнітного поля припиняли харчуватися та відходили від зони годівлі. Однак обидва типи поведінки виявились оборотними: після вимкнення поля миші швидко повертались до звичайних показників.

Які є застосування та перспективи технології nano-MIND?

Технологія nano-MIND, яку перевірили вчені на мишах, дозволяє вченим більш точно вивчати функції окремих нейронних мереж та їх роль у формуванні поведінки, емоцій та когнітивних процесів. Крім того, вона може стати у пригоді у лікуванні неврологічних хвороб. Однак, для цього ще слід дослідити наслідки такого втручання у роботу мозку. Також поки nano-MIND використовує лише один тип механочутливих йонних каналів, але надалі дослідники планують використовувати інші канали також, що розширить можливості технології, наприклад, дасть їй змогу не лише вмикати нейрони, а й навпаки вимикати їх.

• А раніше наночастинки вже використовувались, щоб керувати активністю мозку мишей. Того разу наночастинки допомогли акумулювати тепло від інфрачервоного світла, а підвищення температури змусило йонний канал TRPV1 відкритися.

---