Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για τον έλεγχο των εγκεφαλικών κυκλωμάτων που σχετίζονται με πολύπλοκες συμπεριφορές ζώων, χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική για να δημιουργήσουν μια μαγνητισμένη πρωτεΐνη που ενεργοποιεί συγκεκριμένες ομάδες νευρικών κυττάρων από απόσταση.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος δημιουργεί συμπεριφορά είναι ένας από τους απώτερους στόχους της νευροεπιστήμης – και ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματά της. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια σειρά από μεθόδους που τους επιτρέπουν να ελέγχουν εξ αποστάσεως συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων και να διερευνούν τη λειτουργία των νευρωνικών κυκλωμάτων.

Η πιο ισχυρή από αυτές είναι μια μέθοδος που ονομάζεται οπτογενετική, η οποία επιτρέπει στους ερευνητές να ενεργοποιούν ή να απενεργοποιούν πληθυσμούς σχετικών νευρώνων σε χρονική κλίμακα χιλιοστού του δευτερολέπτου προς χιλιοστό του δευτερολέπτου με παλμούς φωτός λέιζερ. Μια άλλη μέθοδος που αναπτύχθηκε πρόσφατα, η οποία ονομάζεται χημειογενετική, χρησιμοποιεί κατασκευασμένες πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται από επώνυμα φάρμακα και μπορούν να στοχευθούν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων.

Αν και ισχυρές, και οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα. Η οπτογενετική είναι επεμβατική και απαιτεί την εισαγωγή οπτικών ινών που μεταδίδουν τους παλμούς φωτός στον εγκέφαλο και, επιπλέον, ο βαθμός στον οποίο το φως διεισδύει στον πυκνό εγκεφαλικό ιστό είναι σοβαρά περιορισμένος. Οι χημειογενετικές προσεγγίσεις ξεπερνούν και τους δύο αυτούς περιορισμούς, αλλά συνήθως προκαλούν βιοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται αρκετά δευτερόλεπτα για να ενεργοποιηθούν τα νευρικά κύτταρα.

Η νέα τεχνική, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Ali Güler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville και περιγράφεται σε μια εκ των προτέρων διαδικτυακή δημοσίευση στο περιοδικό Nature Neuroscience, δεν είναι μόνο μη επεμβατική, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει νευρώνες γρήγορα και αναστρέψιμα.

Αρκετές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες των νευρικών κυττάρων που ενεργοποιούνται από τη θερμότητα και τη μηχανική πίεση μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά ώστε να γίνουν ευαίσθητες στα ραδιοκύματα και μαγνητικά πεδία, προσκολλώντας τα σε μια πρωτεΐνη αποθήκευσης σιδήρου που ονομάζεται φερριτίνη ή σε ανόργανα παραμαγνητικά σωματίδια . Αυτές οι μέθοδοι αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο – για παράδειγμα, έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα σε ποντίκια – αλλά περιλαμβάνουν πολλαπλά συστατικά που πρέπει να εισαχθούν ξεχωριστά.

Η νέα τεχνική βασίζεται σε αυτήν την προηγούμενη εργασία και βασίζεται σε μια πρωτεΐνη που ονομάζεται TRPV4, η οποία είναι ευαίσθητη τόσο στη θερμοκρασία όσο και στις δυνάμεις τεντώματος. Αυτά τα ερεθίσματα ανοίγουν τον κεντρικό του πόρο, επιτρέποντας στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. αυτό προκαλεί νευρικές παρορμήσεις που ταξιδεύουν στον νωτιαίο μυελό και στη συνέχεια μέχρι τον εγκέφαλο.

Ο Güler και οι συνάδελφοί του σκέφτηκαν ότι οι δυνάμεις μαγνητικής ροπής (ή περιστροφικής) μπορεί να ενεργοποιήσουν το TRPV4 ανοίγοντας τον κεντρικό του πόρο και έτσι χρησιμοποίησαν γενετική μηχανική για να συντήξουν την πρωτεΐνη στην παραμαγνητική περιοχή της φερριτίνης, μαζί με σύντομες αλληλουχίες DNA που σηματοδοτούν τα κύτταρα να μεταφέρουν πρωτεΐνες στη μεμβράνη του νευρικού κυττάρου και εισάγετέ τες σε αυτήν.

In vivo χειρισμός της συμπεριφοράς του ψαριού ζέβρα με χρήση Magneto. Οι προνύμφες Zebrafish παρουσιάζουν συμπεριφορά περιέλιξης ως απόκριση σε εντοπισμένα μαγνητικά πεδία. Από τον Wheeler et al (2016).

In vivo manipulation of zebrafish behavior using Magneto. Zebrafish larvae exhibit coiling behaviour in response to localized magnetic fields. From Wheeler et al (2016).

Όταν εισήγαγαν αυτό το γενετικό κατασκεύασμα σε ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα που αναπτύσσονταν σε τρυβλία Petri, τα κύτταρα συνέθεσαν την πρωτεΐνη «Magneto» και την εισήγαγαν στη μεμβράνη τους. Η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου ενεργοποίησε την τροποποιημένη πρωτεΐνη TRPV1, όπως αποδεικνύεται από παροδικές αυξήσεις στη συγκέντρωση ιόντων ασβεστίου εντός των κυττάρων, οι οποίες ανιχνεύθηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εισήγαγαν την αλληλουχία DNA Magneto στο γονιδίωμα ενός ιού, μαζί με το γονίδιο που κωδικοποιεί την πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη, και ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA που προκαλούν την έκφραση της κατασκευής μόνο σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνων. Στη συνέχεια έκαναν ένεση του ιού στους εγκεφάλους των ποντικών, στοχεύοντας τον ενδορινικό φλοιό και ανατέμνουν τους εγκεφάλους των ζώων για να αναγνωρίσουν τα κύτταρα που εκπέμπουν πράσινο φθορισμό. Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, έδειξαν στη συνέχεια ότι η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου στις φέτες του εγκεφάλου ενεργοποίησε το Magneto έτσι ώστε τα κύτταρα να παράγουν νευρικές ώσεις.

Για να προσδιορίσουν εάν το Magneto μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον χειρισμό της νευρωνικής δραστηριότητας σε ζωντανά ζώα, έκαναν ένεση Magneto σε προνύμφες ψαριών zebra, στοχεύοντας νευρώνες στον κορμό και την ουρά που συνήθως ελέγχουν μια απόκριση διαφυγής. Στη συνέχεια τοποθέτησαν τις προνύμφες του ψαριού ζέβρα σε ένα ειδικά κατασκευασμένο μαγνητισμένο ενυδρείο και διαπίστωσαν ότι η έκθεση σε ένα μαγνητικό πεδίο προκάλεσε ελιγμούς περιέλιξης παρόμοιους με αυτούς που συμβαίνουν κατά την απόκριση διαφυγής. (Αυτό το πείραμα περιελάμβανε συνολικά εννέα προνύμφες ψαριών ζέβρας και οι επόμενες αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κάθε προνύμφη περιείχε περίπου 5 νευρώνες που εκφράζουν το Magneto.)