Η γενετικά τροποποιημένη πρωτεΐνη «Magneto» ελέγχει εξ αποστάσεως τον εγκέφαλο και τη συμπεριφορά
Η νέα μέθοδος «Badass» χρησιμοποιεί μια μαγνητισμένη πρωτεΐνη για την ενεργοποίηση των εγκεφαλικών κυττάρων γρήγορα, αναστρέψιμα και μη επεμβατικά
Ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο για τον έλεγχο των εγκεφαλικών κυκλωμάτων που σχετίζονται με πολύπλοκες συμπεριφορές ζώων, χρησιμοποιώντας γενετική μηχανική για τη
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος δημιουργεί συμπεριφορά είναι ένας από τους τελικούς στόχους της νευροεπιστήμης - και μία από τις πιο δύσκολες ερωτήσεις του. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια σειρά μεθόδων που τους επιτρέπουν να ελέγχουν εξ αποστάσεως συγκεκριμένες ομάδες νευρώνων και να ανιχνεύουν 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 κλίμακα χρόνου χιλιοστών του δευτερολέπτου με χιλιοστό του δευτερολέπτου με παλμούς φωτός λέιζερ. Μια άλλη πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδος, που ονομάζεται χημειογενετική , χρησιμοποιεί μηχανικές πρωτεΐνες που ενεργοποιούνται από φάρμακα σχεδιαστών και μπορούν να στοχευθούν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων.
Αν και ισχυρές, και οι δύο αυτές μέθοδοι έχουν μειονεκτήματα. Η οπτογενετική είναι επεμβατική, απαιτεί εισαγωγή οπτικών ινών που μεταφέρουν τους παλμούς φωτός στον εγκέφαλο και, επιπλέον, η έκταση στην οποία το φως διεισδύει στον πυκνό ιστό του εγκεφάλου είναι πολύ περιορισμένη. Οι χημειογενετικές προσεγγίσεις ξεπερνούν και τους δύο αυτούς τους περιορισμούς, αλλά συνήθως προκαλούν βιοχημικές αντιδράσεις που χρειάζονται αρκετά δευτερόλεπτα για να ενεργοποιήσουν τα νευρικά κύτταρα.
Η νέα τεχνική, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο του Ali Güler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια στο Charlottesville, και περιγράφεται σε μια προηγμένη διαδικτυακή δημοσίευση στο περιοδικό Nature Neuroscience , δεν είναι μόνο μη επεμβατική, αλλά μπορεί επίσης να ενεργοποιήσει τους νευρώνες γρήγορα και αναστρέψιμα.
Αρκετές προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι πρωτεΐνες των νευρικών κυττάρων που ενεργοποιούνται από θερμότητα και μηχανική πίεση μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά έτσι ώστε να γίνουν ευαίσθητες σε ραδιοκύματα και μαγνητικά πεδία , συνδέοντάς τις με μια πρωτεΐνη αποθήκευσης σιδήρου που ονομάζεται φερριτίνη ή σε ανόργανα παραμαγνητικά σωματίδια . Αυτές οι μέθοδοι αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο - έχουν χρησιμοποιηθεί, για παράδειγμα, 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 στις θερμοκρασίες όσο και στις δυνάμεις τεντώματος . Αυτά τα ερεθίσματα ανοίγουν τον κεντρικό πόρο του, επιτρέποντας στο ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτό προκαλεί νευρικά ερεθίσματα που ταξιδεύουν στον νωτιαίο μυελό και μετά στον εγκέφαλο.
In vivo χειραγώγηση της συμπεριφοράς του zebrafish χρησιμοποιώντας το Magneto. Οι προνύμφες Zebrafish εμφανίζουν συμπεριφορά περιέλιξης σε απόκριση σε εντοπισμένα μαγνητικά πεδία. Από τους Wheeler et al (2016).
Όταν εισήγαγαν αυτό το γενετικό κατασκεύασμα σε ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα που αναπτύσσονται σε τρυβλία Petri, τα κύτταρα συνέθεσαν την πρωτεΐνη «Magneto» και την εισήγαγαν στη μεμβράνη τους. Η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου ενεργοποίησε την τροποποιημένη πρωτεΐνη TRPV1, όπως αποδεικνύεται από παροδικές αυξήσεις της συγκέντρωσης ιόντων ασβεστίου εντός των κυττάρων, οι οποίες ανιχνεύθηκαν με μικροσκόπιο φθορισμού.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές εισήγαγαν την αλληλουχία Magneto DNA στο γονιδίωμα ενός ιού, μαζί με το γονίδιο που κωδικοποιεί πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη, και ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA που προκαλούν την έκφραση του κατασκευάσματος μόνο σε συγκεκριμένους τύπους νευρώνων. Έπειτα ένεσαν τον ιό στους εγκεφάλους των ποντικών, στοχεύοντας στον ενδορρινικό φλοιό, και ανατομήσαν τον εγκέφαλο των ζώων για να αναγνωρίσουν τα κύτταρα που εκπέμπουν πράσινο φθορισμό. Χρησιμοποιώντας μικροηλεκτρόδια, έδειξαν στη συνέχεια ότι η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου στον εγκέφαλο τεμαχίζει το Magneto έτσι ώστε τα κύτταρα να παράγουν νευρικούς παλμούς.
Για να προσδιορίσουν εάν το Magneto μπορεί να χρησιμοποιηθεί για χειρισμό νευρωνικής δραστηριότητας σε ζωντανά ζώα, ένεσαν το Magneto σε προνύμφες ζέβρα, στοχεύοντας νευρώνες στον κορμό και την ουρά που κανονικά ελέγχουν μια απόκριση διαφυγής. Στη συνέχεια τοποθέτησαν τις προνύμφες του ζέβραφου σε ένα ειδικά κατασκευασμένο μαγνητισμένο ενυδρείο και διαπίστωσαν ότι η έκθεση σε ένα μαγνητικό πεδίο προκάλεσε ελιγμούς ελιγμών παρόμοια με αυτά που εμφανίζονται κατά την απόκριση διαφυγής. (Αυτό το πείραμα περιελάμβανε συνολικά εννέα προνύμφες zebrafish και οι επακόλουθες αναλύσεις αποκάλυψαν ότι κάθε προνύμφη περιείχε περίπου 5 νευρώνες που εκφράζουν το Magneto.
Σε ένα τελευταίο πείραμα, οι ερευνητές έδωσαν το Magneto στο ραβδωτό σώμα των ποντικιών που συμπεριφέρονται ελεύθερα, μια βαθιά δομή του εγκεφάλου που περιέχει νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη και εμπλέκονται στην ανταμοιβή και τα κίνητρα και στη συνέχεια έβαλαν τα ζώα σε μια συσκευή χωρισμένη σε μαγνητισμένες μη μαγνητισμένες τομές . Τα ποντίκια που εξέφρασαν το Magneto πέρασαν πολύ περισσότερο χρόνο στις μαγνητισμένες περιοχές από τα ποντίκια που δεν το έκαναν, επειδή η ενεργοποίηση της πρωτεΐνης προκάλεσε τους ραβδωτούς νευρώνες να το εκφράζουν να απελευθερώνουν ντοπαμίνη, έτσι ώστε τα ποντίκια να βρέθηκαν σε αυτές τις περιοχές ανταμοιβές Αυτό δείχνει ότι το Magneto μπορεί να ελέγξει εξ αποστάσεως την πυροδότηση νευρώνων βαθιά μέσα στον εγκέφαλο και επίσης να ελέγξει σύνθετες συμπεριφορές.
Ο νευροεπιστήμονας Steve Ramirez του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ο οποίος χρησιμοποιεί την οπτογενετική για να χειραγωγεί τις αναμνήσεις στον εγκέφαλο των ποντικών, λέει ότι η μελέτη είναι « badass ».
«Προηγούμενες προσπάθειες [χρησιμοποιώντας μαγνήτες για τον έλεγχο της νευρωνικής δραστηριότητας] χρειάζονταν πολλά συστατικά για να λειτουργήσει το σύστημα - έγχυση μαγνητικών σωματιδίων, έγχυση ενός ιού που εκφράζει ένα ευαίσθητο στη θερμότητα κανάλι, [ή] σταθεροποίηση του κεφαλιού του ζώου έτσι ώστε ένα πηνίο να μπορεί να προκαλέσει αλλαγές στο μαγνητισμό », εξηγεί. "Το πρόβλημα με το να έχουμε ένα σύστημα πολλών συστατικών είναι ότι υπάρχει πολύς χώρος για κάθε μεμονωμένο κομμάτι να σπάσει."
«Αυτό το σύστημα είναι ένας μοναδικός, κομψός ιός που μπορεί να εγχυθεί οπουδήποτε στον εγκέφαλο, γεγονός που το καθιστά τεχνικά ευκολότερο και λιγότερο πιθανό να σπάσουν τα κουδούνια και οι σφυρίχτρες», προσθέτει, «και ο εξοπλισμός συμπεριφοράς τους σχεδιάστηκε έξυπνα για να περιέχει μαγνήτες όπου χρειάζεται, ώστε τα ζώα να μπορούν να κινούνται ελεύθερα. "
Η «μαγνητογενετική» είναι επομένως μια σημαντική προσθήκη στο κουτί εργαλείων των νευροεπιστημόνων, η οποία αναμφίβολα θα αναπτυχθεί περαιτέρω και θα παρέχει στους ερευνητές νέους τρόπους μελέτης της ανάπτυξης και της λειτουργίας του εγκεφάλου.
Αναφορά
Wheeler, ΜΑ, et αϊ . (2016). Γενετικά στοχευμένος μαγνητικός έλεγχος του νευρικού συστήματος. Νατ. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265 [ Περίληψη ]
… Καθώς έρχεστε μαζί μας σήμερα από την Ελλάδα, έχουμε μια μικρή χάρη να ρωτήσουμε. Μέσα σε αυτές τις ταραγμένες και δύσκολες στιγμές, εκατομμύρια βασίζονται στο Guardian για ανεξάρτητη δημοσιογραφία που αντιπροσωπεύει την αλήθεια και την ακεραιότητα. Οι αναγνώστες επέλεξαν να μας υποστηρίξουν οικονομικά περισσότερες από 1,5 εκατομμύρια φορές το 2020, ενώνοντας τους υπάρχοντες υποστηρικτές σε 180 χώρες.
Με τη βοήθειά σας, θα συνεχίσουμε να παρέχουμε αναφορές υψηλού αντίκτυπου που μπορούν να αντιμετωπίσουν παραπληροφόρηση και να προσφέρουν μια έγκυρη, αξιόπιστη πηγή ειδήσεων για όλους. Χωρίς μέτοχους ή ιδιοκτήτες δισεκατομμυριούχων, θέτουμε τη δική μας ατζέντα και παρέχουμε δημοσιογραφία που αναζητά την αλήθεια και είναι απαλλαγμένη από εμπορική και πολιτική επιρροή. Όταν δεν έχει σημασία περισσότερο, μπορούμε να διερευνήσουμε και να προκαλέσουμε χωρίς φόβο ή χάρη.
Σε αντίθεση με πολλούς άλλους, διατηρήσαμε την επιλογή μας: να διατηρήσουμε τη δημοσιογραφία Guardian ανοιχτή για όλους τους αναγνώστες, ανεξάρτητα από το πού ζουν ή τι μπορούν να πληρώσουν. Το κάνουμε αυτό γιατί πιστεύουμε στην ισότητα των πληροφοριών, όπου όλοι αξίζουν να διαβάζουν ακριβή νέα και προσεκτική ανάλυση. Μεγαλύτερος αριθμός ατόμων μένει καλά ενημερωμένος για τα παγκόσμια γεγονότα και εμπνέεται να αναλάβει ουσιαστική δράση.
Στόχος μας είναι να προσφέρουμε στους αναγνώστες μια ολοκληρωμένη, διεθνή προοπτική σχετικά με κρίσιμα γεγονότα που διαμορφώνουν τον κόσμο μας - από το κίνημα της Μαύρης Ζωής, στη νέα αμερικανική διοίκηση, το Brexit και την αργή ανάδυση του κόσμου από μια παγκόσμια πανδημία. Δεσμευόμαστε να διατηρήσουμε τη φήμη μας για επείγουσες, ισχυρές αναφορές σχετικά με την κατάσταση έκτακτης ανάγκης για το κλίμα και πήραμε την απόφαση να απορρίψουμε τη διαφήμιση από εταιρείες ορυκτών καυσίμων, εκποίηση από τις βιομηχανίες πετρελαίου και φυσικού αερίου και να ξεκινήσουμε μια πορεία για την επίτευξη καθαρών μηδενικών εκπομπών έως το 2030.
ΑΥΤΟΜΑΤΗ ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ
ΠΗΓΗ: https://www.theguardian.com
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου