Inżynierowie i neurobiolodzy z amerykańskiego uniwersytetu Northwestern zbudowali pierwszy tak mały implant pozwalający bezprzewodowo i bez baterii sterować neuronami w mózgu myszy z pomocą światła. To krok milowy w optogentyce, przekonują naukowcy.

Jak można sterować mózgiem myszy za pomocą światła

Optogenetyka wymaga modyfikacji DNA organizmu. Neurony stają się wrażliwe na światło , gdy do DNA dodamy sekwencję genu kodującego światłoczułe białko. Wbudowuje się ono w błonę komórkową komórki nerwowej i wówczas można ją pobudzić lub zahamować za pomocą impulsów świetlnych. Z przyczyn etycznych i technicznych takie eksperymenty prowadzi się na razie na myszach.

To, co w opisywanym tu eksperymencie najważniejsze, to wykazanie skuteczności eksperymentalnego implantu. Zwykle konieczne było stosowanie światłowodów prowadzących z programatora do implantu. Taka ingerencja wpływała na zachowanie badanych zwierząt.

– Gdy myszy biegały w klatce, światłowody ciągnęły je w różnych kierunkach. Zgodnie z przewidywaniami, zmieniało to sposób poruszania się zwierząt. W takiej sytuacji człowiek musiał sobie odpowiedzieć na pytanie, co właściwie bada: naturalne zachowania czy zachowania wynikające z fizycznych ograniczeń – zauważa współautor badania i współtwórca implantu, John Rogers, dyrektor Instytutu Biolektroniki Querrey Simpson.

Implant mózgowy sprawiał, że myszy stawały się bardziej towarzyskie

Tymczasem, jak naukowcy z Northwestern piszą w „Nature Neuroscience”, bezprzewodowy implant pozwolił aktywować pewne regiony mózgu zdalnie. Pozwoliło to obserwować naturalne, niepodległe wpływom człowieka zachowania społeczne myszy.  

Wspólnie ze swoim zespołem inżynierów Rogers opracował sterowane za pomocą komunikacji bliskiego zasięgu (NFC) urządzenie grubości pół milimetra. Połączone ono jest z sondą doczaszkową na końcu której umieszczono diody LED. Zasilanie dostarczane jest bezprzewodowo z przez antenę otaczającą klatkę z myszami.

Na potrzeby eksperymentu badacze aktywowali w mózgach gryzoni grupę neuronów odpowiedzialnych za funkcje poznawcze wyższego rzędu. W ten sposób zwiększała się częstotliwość i czas trwania społecznych interakcji między dwójką zwierząt. Wyłączenie implantu zmniejszało chęć kontaktu.

Nowa technologia pozwala badać interakcje w grupie

– Szczerze mówiąc, nie sądziliśmy, że nam się uda. O ile wiemy, to pierwsza bezpośrednia weryfikacja hipotezy dotyczącej synchronizacji na poziomie aktywności neuronów w zachowaniach społecznych – mówi Yevgenia Kozorovitskiy, współautorka odkrycia.

Badacze mogli sterować implantami mózgowymi myszy w czasie rzeczywistym, włączając je i wyłączając za pomocą programu na komputerze. To pozwoliło im np. wybierać z grupy myszy dwa osobniki i nakłaniać je do zaprzyjaźnienia się.

– Badanie aktywności jednego zwierzęcia jest ciekawe, ale nową granicą w neurobiologii są studia nad złożonymi strukturami społecznymi. Teraz mamy w rękach technologię pozwalającą badać tworzenie się i rozpadanie więzów społecznych między pojedynczymi osobnikami w grupie. Możemy w ten sposób oceniać sposób np. budowanie hierarchii w stadzie – wyjaśnia Rogers.

Źródło: Nature Neuroscience.