Управление мозгом и мышцами червей с помощью LCD-проектора
Исследователи используют недорогие компоненты обычных LCD-проекторов для контроля мозга и мышц микроскопических организмов, включая свободно движущихся червей. Красный, зеленый и синий свет от проектора активирует светочувствительные микробные белки, встроенные в червей с помощью генной инженерии. Это позволяет ученым «включать» и «выключать» нейроны, как лампочки, и мышцы, как двигатели.
Использование LCD-технологии для контроля мелких животных продвигает область оптогенетики — сочетания оптических и генетических методов, дающих беспрецедентный контроль над нейронными цепями лабораторных животных. До сих пор метод можно было применять только к более крупным животным, помещая оптическое волокно в мозг, или требовалось освещение всего тела животного.
Статья, опубликованная 9 января в онлайн-версии журнала Nature Methods, описывает, как недорогая технология освещения позволяет стимулировать и «заглушать» определенные нейроны и мышцы свободно движущихся червей, с точным контролем местоположения, длительности, частоты и интенсивности света.
«Этот инструмент освещения значительно расширяет наши возможности контролировать, изменять, наблюдать и исследовать, как нейроны, мышцы и цепи в конечном итоге производят поведение у животных», — сказал Ханг Лу, доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии.
Система освещения включает модифицированный серийный LCD-проектор, который используется для проецирования многоцветного светового рисунка на животное. Независимые красный, зеленый и синий каналы позволяют исследователям активировать возбудимые клетки, чувствительные к определенным цветам, одновременно «заглушая» другие.
«Поскольку центральным компонентом системы освещения является коммерчески доступный проектор, стоимость и сложность системы значительно снижаются, что, как мы надеемся, позволит более широкому исследовательскому сообществу принять этот инструмент», — пояснил Лу.
Подключив систему освещения к микроскопу и объединив ее с видеотрекингом, исследователи могут отслеживать и записывать поведение свободно движущихся животных, сохраняя освещение в заданном анатомическом положении. Когда животное движется, изменения местоположения, интенсивности и цвета света могут обновляться менее чем за 40 миллисекунд.
После создания прототипа системы команда Лу использовала его для изучения «тактильной» цепи червя Caenorhabditis elegans, возбуждая и ингибируя его механосенсорные и двигательные нейроны. Светочувствительные оптогенетические реагенты для экспериментов предоставила команда профессора Александра Готтшалка из Института биохимии Университета Гёте во Франкфурте, Германия.
Результаты экспериментов:
- При регулярном освещении головы движущегося вперед червя возникал эффект скручивания головы, и червь начинал ползать по треугольной траектории.
- При сканировании света вдоль тела червя от головы к хвосту стимуляция нейронов у головы вызывала движение назад, а у хвоста — движение вперед.
- Интенсивность света влияла на поведение червя.
- Несколько оптогенетических реагентов, возбуждаемых на разных длинах волн, можно было комбинировать в одном эксперименте для понимания функций нейронных цепей.
- Техника показала надежные и воспроизводимые результаты на большом количестве животных в различных условиях.
«Этот инструмент позволил нам контролировать определенные события в определенных местах в определенное время в интактной биологической системе, что позволило нам анализировать функциональные цепи животных с большей точностью и нюансами», — добавил Лу.
Хотя эти доказательные концепции изучали реакцию C. elegans на механическую стимуляцию, систему освещения также можно использовать для оценки реакций на химические, тепловые и визуальные стимулы. Ее можно применять для изучения различных нейронов и мышц у других мелких животных, таких как рыбки данио и личинки плодовой мухи.
«Эксперименты с этой системой освещения дают количественные данные о поведении, которые невозможно получить с помощью ручных тактильных тестов, лазерной абляции клеток или генетических манипуляций с нейротрансмиттерами», — сказал Лу.