Фотосенсоры проливают свет на спонтанное свободное плавание у рыбок данио
Новый метод избирательной активации одного типа клеток в организме с помощью света помог ответить на давний вопрос о функции одного класса загадочных нервных клеток в спинном мозге.
Благодаря целенаправленной вставке светочувствительных переключателей в эти клетки у активных личинок рыбок данио учёные из Калифорнийского университета в Беркли и UCSF обнаружили, что эти таинственные клетки запускают взрывное плавание — периодическое подёргивание хвоста, типичное для личинок.
Это открытие подчёркивает мощь новых методов, использующих фотосенсоры — светозависимые ионные каналы — и генное таргетирование для неинвазивного включения небольших популяций клеток так же легко, как щелчок выключателя.
Клэр Виарт (UC Berkeley) и Филиппо Дель Бене (UCSF) — первые авторы статьи, описывающей эти результаты, которая вышла 17 сентября в журнале Nature.
«С помощью этих оптогенетических инструментов мы можем активировать отдельные нейроны у активных животных и напрямую продемонстрировать последствия активации нейрона для поведения», — сказала Виарт.
«Оптогенетика открывает новую и чрезвычайно захватывающую область исследований, выделяя один тип клеток и выясняя, что он делает», — добавила она.
«Это новый способ заниматься нейронаукой», — сказал соавтор Хервиг Байер (UCSF). «Вместо того чтобы вставлять электроды в мозг для регистрации активности нервной системы, мы манипулируем функцией нейронов неинвазивно с помощью света».
Другими соавторами статьи являются бывший химик из Беркли Дирк Траунер (ныне в Мюнхенском университете), аспирантка Эрика Уорп и Итан Скотт из лаборатории Байера.
Траунер вместе с Эхудом Исакофф и Ричардом Крамером (UC Berkeley) работали более шести лет над совершенствованием техники вставки оптических переключателей в клетки. Они сформировали Центр наномедицины для оптического контроля биологических функций. Одна из долгосрочных целей центра — вставка фотосенсоров в клетки сетчатки для восстановления зрения.
Исследователи добились этого, присоединив к каналу химическое вещество под названием азобензол, которое меняет форму под воздействием света, открывая или закрывая ионный канал. Когда калиевый канал открывается, ионы калия проходят через него и тормозят клетку; когда открывается канал рецептора глутамата, ионы натрия, калия и кальция проходят через него и возбуждают клетку.
Виарт и её коллеги применили эту технику для поиска поведенчески значимой клетки и обнаружили, к своему удивлению, ранее неизвестную функцию клеток Колмера-Агдура (KA) в спинном мозге. Клетки KA — это не стандартные релейные нейроны с дендритами и аксонами, а сенсорные нейроны с ресничками, которые выступают в спинномозговую жидкость, и длинными аксонами, идущими вверх по спинному мозгу.
Виарт и Исакофф объединились с лабораторией Байера, где Дель Бене и Скотт создали 10 линий рыбок данио с фотосенсорами, вставленными в определённые популяции нервных клеток спинного мозга. Когда Виарт освещала рыб с фотосенсорами в их KA-нейронах, рыбы виляли хвостом точно так же, как при спонтанном медленном плавании вперёд. Поместив прозрачных личинок под микроскоп и используя цифровое микрозеркальное устройство (DMD), она смогла сфокусировать свет на небольшом количестве KA-нейронов, успешно включая всего несколько клеток KA за раз. Она обнаружила, что для запуска плавания необходимо активировать около 10 KA-нейронов.
«Выключение» этих клеток значительно снижало взрывное плавание, но не устраняло его полностью, что позволяет предположить, что KA-нейроны могут снижать порог для запуска рефлекторного плавания.
«Это стало большим сюрпризом, что эти нейроны вообще играют роль в локомоции», — сказал Исакофф. «Похоже, существует гомолог KA-нейрона у млекопитающих, так что это может быть общий модуляторный принцип для локомоции позвоночных».
Более ранние исследования в лаборатории Стена Грилльнера (Каролинский институт) показали, что нервные клетки, использующие GABA (гамма-аминомасляную кислоту) в качестве тормозного нейромедиатора, были важными модуляторами плавания. Текущее исследование сужает это до одного вида GABA-ергических нейронов: нейрона KA.
«Оптогенетическое таргетирование — мощный подход, и мы только начали работу», — добавил Байер. «Нам ещё предстоит выяснить, как KA-нейроны связаны, чтобы управлять мышцами. На самом деле, мы не смогли бы провести этот эксперимент никаким другим способом, кроме оптогенетики».