Proteina modificată genetic care controlează de la distanță creierul și comportamentul

Cercetătorii din Statele Unite au dezvoltat o nouă metodă pentru controlul circuitelor cerebrale asociate cu comportamente complexe ale animalelor, folosind ingineria genetică pentru a crea o proteină magnetizată care activează grupuri specifice de celule nervoase de la distanță, potrivit The Guardian.

• Raed Arafat, pus sub acuzare pentru contrabandă
• Cristian Pîrvulescu propune un prim-ministru cu profil neutru / independent sau „un guvern cu un grad ridicat de independență politică”
• Bolojan: Vom iniția discuții cu USR, UDMR și grupul minorităților, pentru a clarifica prin ce formulă ar putea funcționa un guvern minoritar
• Era Tim Cook se încheie. Apple va avea un nou CEO din toamnă
• Raed Arafat chemat la Parchetul Militar

Înțelegerea modului în care creierul generează comportamente este unul dintre obiectivele finale ale neuroștiinței – și una dintre cele mai dificile întrebări ale sale. În ultimii ani, cercetătorii au dezvoltat o serie de metode care le permit să controleze de la distanță anumite grupuri de neuroni și să investigheze funcționarea circuitelor neuronale.

METODELE PRIN CARE NEURONII SUNT CONTROLAȚI DE LA DISTANȚĂ

Cea mai puternică dintre acestea este o metodă numită optogenetică. Aceasta permite cercetătorilor să activeze sau să oprească populațiile înrudite de neuroni, folosind impulsuri de lumină laser. O altă metodă recent dezvoltată, numită chimiogenetică, utilizează proteine modificate care sunt activate de medicamente și care pot fi direcționate către anumite tipuri de celule.

Deși sunt puternice, ambele metode au și dezavantaje. Optogenetica este invazivă, necesitând inserarea fibrelor optice care livrează impulsurile de lumină în creier și, în plus, măsura în care lumina pătrunde în țesutul dens al creierului este sever limitată. Abordările chimiogenetice depășesc ambele limitări, dar induc de obicei reacții biochimice care necesită câteva secunde pentru a activa celulele nervoase.

Noua tehnică, dezvoltată în laboratorul cercetătorului Ali Güler de la Universitatea din Virginia, Charlottesville, și descrisă într-o publicație online, în Jurnalul Nature Neuroscience, nu este doar neinvazivă, ci poate activa neuronii rapid și reversibil.

Sursă: University of Virginia

Mai multe studii anterioare au arătat că proteinele celulelor nervoase care sunt activate de căldură și presiune mecanică pot fi modificate genetic astfel încât să devină sensibile la undele radio și câmpurile magnetice, prin atașarea lor la o proteină de stocare a fierului numită feritină sau la particule paramagnetice anorganice. Aceste metode reprezintă un avans important – de exemplu, au fost deja utilizate pentru a regla nivelul glicemiei la șoareci – dar implică mai multe componente care trebuie introduse separat.

PROTEINA TRPV4 STĂ LA BAZA TEHNICII REVOLUȚIONARE

Noua tehnică a evoluat din aceste cercetări anterioare și se bazează pe o proteină numită TRPV4, care este sensibilă atât la temperatură, cât și la forțele de întindere. Acești stimuli îi deschid porul central, permițând curentului electric să curgă prin membrana celulară, ceea ce determină impulsuri nervoase care se deplasează în măduva spinării și apoi în creier.

Güler și colegii săi au argumentat că forțele magnetice de rotație ar putea activa TRPV4 prin deschiderea porului său central și, prin urmare, au folosit ingineria genetică pentru a fuziona proteina cu regiunea paramagnetică a feritinei, împreună cu secvențe scurte de ADN care semnalizează celulelor să transporte proteine la membrana celulei nervoase și le insereze în ea.

Când au introdus această construcție genetică în celulele renale embrionare umane care cresc în vase Petri, celulele au sintetizat proteina „Magneto” și au introdus-o în membrana lor. Aplicarea unui câmp magnetic a activat proteina modificată TRPV1, dovadă fiind creșterea tranzitorie a concentrației ionilor de calciu în celule, care au fost detectate cu un microscop fluorescent.

Apoi, cercetătorii au introdus secvența de ADN Magneto în genomul unui virus, împreună cu gena care codifică proteina fluorescentă verde și secvențele ADN de reglare care determină ca formațiunea să apară numai în anumite tipuri de neuroni.

Ulterior, cercetătorii au injectat virusul în creierul șoarecilor, vizând cortexul entorhinal și au disecat creierul animalelor pentru a identifica celulele care emit fluorescență verde. Folosind microelectrozi, oamenii de știință au arătat apoi că aplicarea unui câmp magnetic pe feliile creierului a activat Magneto, astfel încât celulele să producă impulsuri nervoase.

PROTEINA MAGNETO ȘI PROPRIETĂȚILE SALE ULUITOARE

Pentru a determina dacă proteina Magneto poate fi utilizată pentru a manipula activitatea neuronală la animalele vii, cercetătorii au injectat Magneto în larvele de pește-zebră, vizând neuronii din trunchi și coadă care controlează în mod normal un răspuns de evadare.

Apoi, aceștia au plasat larvele de pește-zebră într-un acvariu magnetizat special construit și au descoperit că expunerea la un câmp magnetic a indus manevre de înfășurare similare cu cele care apar în timpul răspunsului de evadare. Acest experiment a implicat un total de nouă larve de pește-zebră, iar analizele ulterioare au arătat că fiecare larvă conținea aproximativ 5 neuroni care exprimă proteina Magneto.

Într-un ultim experiment, cercetătorii au injectat Magneto în corpul striat al șoarecilor, o structură profundă a creierului care conține neuroni producători de dopamină, implicați în recompensă și motivație, apoi au așezat animalele într-un aparat împărțit în secțiuni magnetizate și nemagnetizate. 

Șoarecii la care s-a manifestat proteina Magneto au petrecut mult mai mult timp în zonele magnetizate decât șoarecii care la care aceasta nu s-a manifestat, deoarece activarea proteinei a determinat neuronii striatali să elibereze dopamină, astfel încât șoarecii au găsit aceste zone ca fiind satisfăcătoare. Acest lucru arată că proteina Magneto poate controla de la distanță declanșarea neuronilor în creier și, de asemenea, poate controla comportamente complexe.

„Magnetogenetica” reprezintă, prin urmare, o noutate importantă în ceea ce privește neurocercetarea, care va fi, fără îndoială, dezvoltată în continuare și va oferi cercetătorilor noi modalități de a studia dezvoltarea și funcționarea creierului.