Genetisk konstruert ‘Magneto’ protein fjernstyrer hjernen og oppførselen.

Det toroide magnetiske kammeret (Tokamak) til Joint European Torus (JET) ved Culham Science Center. Foto: AFP / Getty Images

”Badass” ny metode bruker et magnetisert protein for å aktivere hjerneceller raskt, reversibelt og ikke-invasivtMo Costandi @ mocostTor 24. mars 2016 14.30 GMT

12.93810

Forskere i USA har utviklet en ny metode for å kontrollere hjernekretsene assosiert med kompleks dyreoppførsel, ved hjelp av genteknologi for å lage et magnetisert protein som aktiverer bestemte grupper av nerveceller på avstand.

Å forstå hvordan hjernen genererer atferd er et av de endelige målene for nevrovitenskap – og et av de vanskeligste spørsmålene. De siste årene har forskere utviklet en rekke metoder som gjør det mulig for dem å fjernstyre bestemte grupper av nevroner og å undersøke virkningen av nevronale kretser.

Den kraftigste av disse er en metode som kalles optogenetikk , som gjør det mulig for forskere å slå populasjoner av relaterte nevroner på eller av på en millisekund-for-millisekund-tidsskala med pulser av laserlys. En annen nylig utviklet metode, kalt kjemogenetikk , bruker konstruerte proteiner som aktiveres av designermedisiner og kan målrettes mot spesifikke celletyper.

Selv om de er kraftige, har begge disse metodene ulemper. Optogenetikk er invasiv, og krever innsetting av optiske fibre som leverer lyspulsene inn i hjernen, og i tillegg er den grad hvor lyset trenger inn i det tette hjernevevet sterkt begrenset. Kjemogenetiske tilnærminger overvinner begge disse begrensningene, men induserer vanligvis biokjemiske reaksjoner som tar flere sekunder å aktivere nerveceller.

Den nye teknikken, utviklet i Ali Güler sitt laboratorium ved University of Virginia i Charlottesville, og beskrevet i en forhåndspublikasjon i tidsskriftet Nature Neuroscience , er ikke bare ikke-invasiv, men kan også aktivere nevroner raskt og reversibelt.

Flere tidligere studier har vist at nervecelleproteiner som aktiveres av varme og mekanisk trykk kan genetisk konstrueres slik at de blir følsomme for radiobølger og magnetiske felt , ved å feste dem til et jernlagrende protein som kalles ferritin, eller til uorganiske paramagnetiske partikler. . Disse metodene representerer et viktig fremskritt – de har for eksempel allerede blitt brukt for å regulere blodsukkernivået hos mus – men involverer flere komponenter som må introduseres separat.

Den nye teknikken bygger på dette tidligere arbeidet, og er basert på et protein som heter TRPV4, som er følsomt for både temperatur og strekkrefter . Disse stimuli åpner sin sentrale pore, slik at elektrisk strøm kan strømme gjennom cellemembranen; dette fremkaller nervøse impulser som beveger seg inn i ryggmargen og deretter opp til hjernen.

Güler og hans kolleger resonnerte at magnetiske dreiemoment (eller roterende) krefter kan aktivere TRPV4 ved å rive opp den sentrale poren, og så brukte de genteknologi for å smelte proteinet til den paramagnetiske regionen av ferritin, sammen med korte DNA-sekvenser som signaliserer celler for å transportere proteiner til nervecellemembranen og setter dem inn i den.https://www.youtube-nocookie.com/embed/iHTpJNSNFlc?wmode=opaque&feature=oembedIn vivo manipulering av sebrafisk oppførsel ved hjelp av Magneto. Sebrafisklarver viser spolingsadferd som svar på lokaliserte magnetfelt. Fra Wheeler et al (2016).

Da de introduserte denne genetiske konstruksjonen i humane embryonale nyreceller som vokste i petriskåler, syntetiserte cellene ‘Magneto' proteinet og satte det inn i membranen. Påføring av et magnetfelt aktiverte det konstruerte TRPV1-proteinet, som det fremgår av forbigående økninger i kalsiumionkonsentrasjonen i cellene, som ble påvist med et fluorescensmikroskop.

Deretter satte forskerne inn Magneto DNA-sekvensen i genomet til et virus, sammen med genet som koder for grønt fluorescerende protein, og regulatoriske DNA-sekvenser som får konstruksjonen til å bare uttrykkes i spesifiserte typer neuroner. Deretter injiserte de viruset i hjernen til mus, rettet mot entorhinal cortex, og dissekerte hjernen til dyrene for å identifisere cellene som sendte ut grønn fluorescens. Ved hjelp av mikroelektroder viste de deretter at påføring av magnetfelt på hjerneskivene aktiverte Magneto slik at cellene produserer nervøse impulser.

For å avgjøre om Magneto kan brukes til å manipulere nevronaktivitet hos levende dyr, injiserte de Magneto i sebrafisklarver, og målrettet mot nevroner i bagasjerommet og halen som normalt styrer en fluktrespons. De plasserte deretter sebrafisklarvene i et spesialbygd magnetisert akvarium, og fant at eksponering for et magnetfelt induserte spiralmanøvrer som ligner på de som oppstår under fluktresponsen. (Dette eksperimentet involverte totalt ni sebrafisklarver, og påfølgende analyser viste at hver larve inneholdt omtrent 5 nevroner som uttrykker Magneto.)

I et siste eksperiment injiserte forskerne Magneto i striatum av fritt oppførende mus, en dyp hjernestruktur som inneholder dopaminproduserende nevroner som er involvert i belønning og motivasjon, og plasserte dyrene i et apparat delt i magnetiserte og ikke-magnetiserte seksjoner. . Mus som uttrykte Magneto brukte mye mer tid i de magnetiserte områdene enn mus som ikke gjorde det, fordi aktivering av proteinet førte til at striatale nevroner som uttrykte det, frigjorde dopamin, slik at musene fant seg i disse områdene givende. Dette viser at Magneto kan fjernstyre avfyringen av nevroner dypt inne i hjernen, og også kontrollere kompleks atferd.

Nevrolog Steve Ramirez fra Harvard University, som bruker optogenetikk for å manipulere minner i hjernen til mus, sier at studien er ” dårlig ”.

“Tidligere forsøk [ved bruk av magneter for å kontrollere nevronaktivitet] trengte flere komponenter for at systemet skulle fungere – injisering av magnetiske partikler, injisering av et virus som uttrykker en varmefølsom kanal, [eller] hodefiksering av dyret slik at en spole kunne indusere endringer i magnetisme, ”forklarer han. “Problemet med å ha et flerkomponentsystem er at det er så mye plass for hvert enkelt stykke å bryte sammen.”

“Dette systemet er et enkelt, elegant virus som kan injiseres hvor som helst i hjernen, noe som gjør det teknisk enklere og mindre sannsynlig for å bevege bjeller og fløyter å bryte ned,” legger han til, “og deres atferdsutstyr var smart designet for å inneholde magneter. der det er hensiktsmessig slik at dyrene kan bevege seg fritt. “

‘Magnetogenetics' er derfor et viktig tillegg til nevroforskernes verktøykasse, som utvilsomt vil bli utviklet videre, og gir forskere nye måter å studere hjernens utvikling og funksjon på.