Nowa metoda wykorzystuje światło do zmiany długoterminowego zachowania neuronów

Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) oraz Massachusetts Institute of Technology opracowali nową metodę celowania w chore neurony w mózgu i zmiany ich długoterminowego zachowania za pomocą światła, torując drogę potencjalnym nowe metody leczenia chorób neurologicznych. Stany takie jak epilepsja i autyzm.

Badania opublikowane w Postęp nauki.

Przewidujemy, że ta technologia zapewni nowe możliwości kontrolowania neuronów z wysokim stopniem rozdzielczości czasoprzestrzennej do badań neurologicznych i behawioralnych oraz do opracowywania nowych terapii zaburzeń neurologicznych”.

Jia Liu, adiunkt bioinżynierii w SEAS i współautorka badań

Optogenetyka, wykorzystanie światła do stymulacji lub hamowania neuronów, od dawna obiecuje zrewolucjonizować badania i leczenie stanów neurologicznych spowodowanych zwiększoną lub zmniejszoną pobudliwością neuronów. Jednak obecne techniki optogenetyczne mogą zmieniać pobudliwość neuronów tylko w krótkim okresie. Gdy światło zgaśnie, neurony wracają do swojego pierwotnego zachowania.

Ostatnie postępy w nanotechnologii, w tym elastyczna i wszczepialna nanoelektronika, której pionierem był Liu i jego zespół, mogą zmienić zachowanie neuronów w dłuższej perspektywie, ale urządzenia te muszą zostać wszczepione do mózgu i nie można ich zaprogramować tak, aby celowały w określone neurony zaangażowane w chorobę .

Pobudliwość neuronów jest kontrolowana przez dwa główne składniki -; Przewodnictwo jego kanału jonowego i zdolność błony komórkowej do magazynowania ładunku elektrycznego, znanego jako pojemność.

Większość technik optogenetycznych ma na celu przewodzenie kanałów jonowych, modulując pobudliwość neuronów poprzez otwieranie lub zamykanie określonego zestawu kanałów. Takie podejście może skutecznie dostroić pobudliwość neuronów, ale tylko przejściowo.

„Można sobie wyobrazić neuron jako obwód rezystancyjny kondensatora, a błonę komórkową jako dielektryk” – powiedział Liu. „Tak jak w przypadku każdego obwodu, jeśli zmienisz pojemność materiału – w tym przypadku błony komórkowej – możesz zmienić wewnętrzną pobudliwość obwodu w dłuższej perspektywie, z wysokiej pobudliwości na niską pobudliwość lub odwrotnie”.

Aby zmienić pojemność błony komórkowej, Liu, we współpracy z Xiao Wangiem, Thomasem D. i Virginia Cabot Associate Professor of Chemistry na MIT, użył światłoczułych enzymów, które mogą prowadzić do tworzenia się izolujących lub przewodzących polimerów na powierzchni. z błon komórkowych.

Enzymy można zaprojektować tak, aby celowały w błony określonych neuronów. Gdy enzymy przyczepiły się do wyznaczonej membrany, naukowcy użyli niebieskiego światła o długości fali, aby oświetlić neurony, tworząc izolujące lub przewodzące powłoki na membranie w ciągu kilku minut. Wykazali, że neurony z izolującymi powłokami polimerowymi stały się bardziej pobudliwe, a komórki z przewodzącymi powłokami polimerowymi stały się mniej pobudliwe.

Naukowcy odkryli, że mogą regulować pobudzenie, dostosowując ekspozycję na światło – im dłużej neurony były wystawione na działanie światła, tym bardziej izolujące lub przewodzące stawały się warstwy. Zespół badawczy wykazał również, że zmiany w pobudliwości utrzymywały się nawet do trzech dni -; Tak długo, jak będą w stanie utrzymać neurony przy życiu na szalce Petriego.

Następnie zespół zamierza przetestować podejście przy użyciu skrawków tkanki mózgowej i zwierząt.

„Nadrzędnym celem tej pracy jest umożliwienie podejścia do transformacji modeli w celu zintegrowania funkcjonalnych materiałów, struktur i urządzeń w żywych układach nerwowych ze specyficznością typu i typu komórki, co pozwoli na precyzyjną manipulację subkomórkowymi właściwościami elektrochemicznymi, rekonfigurację pobudliwości neuronów w żywych układy nerwowe”.

Współautorami badania byli Chanan D. Sisler, Yiming Zhou, Wenbo Wang, Nolan D. Hartley, Zhanyan Fu, David Graikovsky i Morgan Sheng.

Był częściowo wspierany przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Program Młodych Badaczy w ramach grantu FA9550-22-1-0228, National Science Foundation za pośrednictwem Harvard Materials Science and Engineering Research Center w ramach grantu DMR-2011754 oraz Harvard Dean’s College Obiecujący konkurs stypendialny.