Резко сфокусированный на нейронах свет управляет поведением червя

Физики и биоинженеры разработали оптический инструмент, позволяющий управлять поведением червя, просто направляя узко сфокусированный луч света на отдельные нейроны внутри организма.

Пионерское оптогенетическое исследование, проведенное командой из Гарвардского университета, Университета Пенсильвании и Медицинской школы Университета Массачусетса, описано на этой неделе в журнале Nature Methods. Их устройство известно как система CoLBeRT (Controlling Locomotion and Behavior in Real Time) для оптического контроля свободно движущихся животных, в данном случае — миллиметрового червя Caenorhabditis elegans.

«Этот оптический инструмент позволяет нам захватывать контроль над нервной системой плавающих или ползающих нематод с помощью импульсов синего и зеленого света — без проводов и электродов», — говорит Аравинтан Д.Т. Самуэль, профессор физики и сотрудник Центра наук о мозге Гарварда. «Мы можем активировать или инактивировать отдельные нейроны или мышечные клетки, фактически превращая червя в виртуального биоробота».

Самуэль и коллеги выбрали для работы C. elegans — организм, часто используемый в биологических исследованиях, — из-за его оптической прозрачности, четко определенной нервной системы из ровно 302 нейронов и простоты манипуляций. Они генетически модифицировали червей так, чтобы их нейроны экспрессировали светочувствительные белки каналродопсин-2 и галородопсин.

В сочетании с высокоточными микрозеркалами, которые могут направлять лазерный свет на отдельные клетки, ученые смогли стимулировать (с помощью синего света) или подавлять (с помощью зеленого света) такие поведения, как движение и откладывание яиц.

«Если направить синий свет на определенный нейрон в передней части червя, он воспринимает это как прикосновение и попятится назад», — говорит соавтор Эндрю М. Лейфер, аспирант кафедры физики и Центра наук о мозге Гарварда. «Аналогично, синий свет, направленный на хвостовую часть модифицированного червя, заставит его двигаться вперед».

Ученые также смогли использовать импульсы света, чтобы направлять червей влево или вправо. Стимулируя нейроны, связанные с репродуктивной системой червя, они даже смогли побудить животное выделить яйцо.

Ключевым элементом системы CoLBeRT является отслеживающий микроскоп, записывающий движение плавающего или ползающего червя, в паре с программным обеспечением для обработки изображений, которое может быстро оценивать местоположение отдельных нейронов и давать команду цифровому устройству с микрозеркалами подсветить целевые клетки. Поскольку клетки в свободно движущемся черве представляют собой быстро движущуюся цель, система может захватывать 50 кадров в секунду и достигать пространственного разрешения всего в 30 микрон.

«Это достижение должно иметь глубокие последствия в системной нейронауке как новый инструмент для исследования активности нервной системы и поведения, а также в биоинженерии и биоробототехнике», — говорит Самуэль. «Наша лаборатория была пионером в разработке новых оптических методов изучения нервной системы, и это наше последнее и, возможно, величайшее изобретение».