Под руководством профессора Института Массачусетского технологического института Эмилио Бицци исследователи изучали мышей, у которых светочувствительный белок, стимулирующий нервную активность, был вставлен в подмножество спинномозговых нейронов. Когда исследователи направили синий свет на спинной мозг животных, их задние лапы были полностью, но обратимо обездвижены. По словам исследователей, результаты, описанные в выпуске PLoS One от 25 июня, предлагают новый подход к изучению сложных спинномозговых цепей, которые координируют движения и сенсорную обработку.
В этом исследовании Бицци и Витторио Каджано, постдоктор Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института, использовали оптогенетику для изучения функции тормозных интернейронов, которые образуют цепи со многими другими нейронами спинного мозга. Эти схемы выполняют команды из мозга с дополнительным вводом сенсорной информации от конечностей.Раньше нейробиологи использовали электрическую стимуляцию или фармакологическое вмешательство для контроля активности нейронов и пытались выявить их функцию. Эти подходы позволили получить большой объем информации о спинномозговой контроле, но они не предлагают достаточно точного контроля для изучения конкретных подмножеств нейронов.
Оптогенетика, с другой стороны, позволяет ученым управлять определенными типами нейронов, генетически запрограммировав их на экспрессию светочувствительных белков. Эти белки, называемые опсинами, действуют как ионные каналы или насосы, регулирующие электрическую активность нейронов.
Некоторые опсины подавляют активность, когда на них светит свет, а другие стимулируют ее.«С помощью оптогенетики вы атакуете систему клеток, которые имеют определенные характеристики, похожие друг на друга. Это большой сдвиг с точки зрения нашей способности понять, как работает система», — говорит Бицци, член Института Макговерна Массачусетского технологического института.
Контроль мышцТормозящие нейроны спинного мозга подавляют мышечные сокращения, что имеет решающее значение для поддержания баланса и координации движений. Например, когда вы подносите яблоко ко рту, бицепсы сокращаются, а трицепсы расслабляются. Также считается, что тормозящие нейроны участвуют в состоянии мышечного торможения, которое происходит во время фазы быстрого движения глаз (REM) сна.
Для более подробного изучения функции тормозных нейронов исследователи использовали мышей, разработанных Гопингом Фэном, профессором нейробиологии Пойтраса из Массачусетского технологического института, у которых все тормозящие спинномозговые нейроны были сконструированы так, чтобы экспрессировать опсин, называемый каналродопсином 2. Этот опсин стимулирует нервную активность, когда подвергается воздействию синего света. Затем они направили свет в разные точки вдоль позвоночника, чтобы наблюдать эффекты активации нейронов.Когда тормозящие нейроны в небольшом участке грудного отдела позвоночника активировались у свободно движущихся мышей, все движения задних ног прекращались.
Это говорит о том, что тормозящие нейроны в грудном отделе позвоночника передают подавление на всем пути к концу позвоночника, говорит Каджано. Исследователи также обнаружили, что активация тормозных нейронов не влияет на передачу сенсорной информации от конечностей к мозгу или на нормальные рефлексы.«Местоположение позвоночника, в котором мы обнаружили это полное подавление, было совершенно новым, — говорит Кэджиано. «Никакие другие ученые не показали, что существует прямое подавление, которое влияет только на двигательное поведение, не влияя на сенсорное поведение».«Это убедительное использование оптогенетики, которое поднимает множество очень интересных вопросов», — говорит Саймон Гистер, профессор нейробиологии и анатомии в Университете Дрекселя, не входивший в исследовательскую группу.
Среди этих вопросов — действует ли этот механизм как глобальный «выключатель» или тормозящие нейроны образуют модули, которые позволяют более избирательно подавлять паттерны движения.Теперь, когда они продемонстрировали полезность оптогенетики для этого типа исследований, команда Массачусетского технологического института надеется изучить роли других типов нейронов спинного мозга. Они также планируют изучить, как мозг влияет на спинномозговые цепи.
«Существует огромный интерес в попытках расширить эти исследования и проанализировать эти схемы, потому что мы затронули только тормозную систему в очень глобальном масштабе», — говорит Кэджиано. «Дальнейшие исследования подчеркнут вклад отдельных популяций нейронов спинного мозга в управление конечностями и движением».