Nowo opracowana technika opiera się na technice znanej jako optogenetyka, którą opracowano po raz pierwszy na Uniwersytecie Stanforda przez Karla Deisserotha. Polega na wprowadzeniu do neuronów wrażliwych na światło białek, które można pobudzać w nieinwazyjny sposób, po prostu wystawiając je na promieniowanie o danej długości fali.

Optogenetyka stała się przełomowym narzędziem w neuronauce, ale istnieją ograniczenia co do tego, co można zrobić za pomocą istniejących technik - częściowo z powodu ich zależności od światła w spektrum widzialnym. Mózg jest dość nieprzezroczysty dla światła widzialnego, więc doprowadzenie światła do komórek, które mają być stymulowane, wymaga zazwyczaj inwazyjnych implantów optycznych, które mogą powodować uszkodzenia tkanek, a także mocowanych w czaszce wiązek światłowodowych, które utrudniają badanie wielu rodzajów naturalnych zachowań. Guosong Hong z Uniwersytetu Stanforda, główny autor badań

Zespół Honga słusznie zauważył, że wszystkie tkanki - także mózg - są transparentne dla światła podczerwonego. To oznacza, że wystawiając je właśnie na takie promieniowanie, można dotrzeć w głębsze rejony mózgu. Istniejące narzędzia optogenetyczne nie reagują jednak na światło podczerwone, więc naukowcy wykorzystali cząsteczkę, która powstała do wykrywania innej formy podczerwieni: ciepła - mowa o TRPV1. Potwierdzono, że działanie światłem podczerwonym na czaszkę i skórę głowy z odległości metra, powoduje konkretne zmiany w mózgu.

Czym jest TRPV1?

Receptor waniloidowy TRPV1 to coś na kształt molekularnego czujnika ciepła, który pozwala odczuwać ból związany z gorącem, a także pieczenie papryczek chili. Odkrycie tego receptora zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny w 2021 r. Co ciekawe, podobnym receptorem dysponują też grzechotniki i żmije, dzięki czemu "widzą ciepło" i mogą polować na ciepłokrwiste ofiary w ciemnościach. W nowej technice wykorzystano cząsteczkę "przetwornika", którą można wstrzyknąć do wybranych obszarów mózgu, aby pochłaniała i wzmacniała światło podczerwone przenikające przez tkankę mózgową. Cząsteczkę tę nazwano MINDS. Naukowcy porównują jej działanie do melaniny w skórze, która pochłania szkodliwe promieniowanie UV.

Najpierw próbowaliśmy stymulować komórki samymi kanałami TRPV1, ale nie przyniosło to żadnych rezultatów. Okazało się, że grzechotniki mają znacznie czulszy sposób wykrywania sygnałów podczerwonych niż ten, który udało nam się zastosować w mózgu myszy. Na szczęście z pomocą przyszła nam nauka o materiałach. Guosong Hong

Zademonstrowano działanie nowej techniki przez dodanie receptorów TRPV1 do neuronów po jednej stronie kory ruchowej myszy i wstrzykując MINDS do tego samego regionu. Kiedy włączono światło podczerwone, gryzonie zaczęły chodzić w kółko, w wyniku jednostronnej stymulacji kory ruchowej.

To był wspaniały moment, kiedy wiedzieliśmy, że to zadziała. Oczywiście, to dopiero początek sprawdzania i testowania możliwości tej technologii, ale od tego momentu byłem pewien, że odkryliśmy coś ważnego. Guosong Hong

Eksperyment przeprowadzony na Uniwersytecie Stanforda potwierdził, że możliwa jest stymulacja neuronów w dowolnym miejscu mózgu w sposób nieinwazyjny - działając światłem podczerwonym. Naukowcy już szykują kolejne badania, które wprowadzą optogenetykę na zupełnie nowe tory.