Оптогенетически активированная интерфаза мозг-компьютер — одна из самых фантастических технологий, которые мы можем себе представить сегодня. Вполне вероятно, что его полную мощность можно было реализовать только под руководством точных карт активности и связей мозга. Для создания этих карт — или, что более вероятно, этих динамических моделей — потребуются инструменты, которые почти не описаны, не говоря уже о реализации. Среди самых заманчивых идей, которые еще не появились в этом ключе, вероятно, то, что «ленты движения ДНК Кординга-Черча», которые основаны на модифицированных ДНК-полимеразах для записи активности, а также «нейронные штрих-коды Задора», которые основаны на модифицированных вирусах, которые регистрируют связи.
Когда эти две концепции были впервые описаны несколько лет назад, первоначальное волнение по поводу них быстро сменилось суровой реальностью их сложности. Заставить вирусы генерировать рекомбинантные метки в виде штрих-кода для нейронных связей кажется журавлем в небе, когда мы едва ли можем заставить их транспортироваться в нужные места и экспрессировать нужные белки, не причиняя чрезмерного вреда клеткам. Группа Тони Задора сделала большой практический шаг к созданию вирусных инструментов, использующих целевую экспрессию генов для картирования нейронных цепей. Их последняя работа, опубликованная в Frontiers in Neuroanatomy , описывает, как они модифицировали вирус псевдобешенства (PRV), чтобы эффективно перемещаться по нервной системе и генетически помечать избранные нейроны.
Несколько видов вирусов могут вторгаться в мозг и превращать его в свою личную игровую площадку. Преодолев гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и обезопасившись от нормальных иммунных стражей, которые патрулируют периферическое кровообращение, они отпочковываются от синапсов внутри липидных пузырей, а затем передвигаются автостопом к более централизованным узлам, подобно зимним энтузиастам на ретроградном аксональном лыжном подъемнике. Врожденные иммунные клетки головного мозга (микроглия), как правило, бессильны против вирусов, спрятанных внутри клеток. В некоторых случаях инфекции в качестве крайней меры могут быть введены препараты, повышающие проницаемость ГЭБ и позволяющие более активным иммунным агентам проникнуть в мозг, но этот процесс не очень специфичен.
Вектор PRV, используемый группой Задора, имеет несколько преимуществ для картирования нейронов по сравнению с другими потенциальными вирусными векторами. Один двоюродный брат вируса PSV, а именно мутант вируса HSV-1, успешно использовался другими для ретроградного нацеливания на определенные популяции нейронов. Основная проблема HSV-1 заключается в том, что, как и молекулярные телеграммы, картирующие мозг, этот парень является проприетарным и запатентованным вирусом. Другим гибким переносчиком является модифицированный вирус везикулярного стоматита .(ВСВ-Г). Он может быть легко переключен между ретроградным и антероградным транспортными режимами путем замены одного гена. К сожалению, многие из обычных подозреваемых, которые ограничивают все вирусные вещи, а именно неэффективность инфекции, цитотоксичность, ограниченная полезная нагрузка, проблемы безопасности, доступность и непредсказуемый тропизм, — все это факторы с VSV-G.
Если вы заметили, мы вставили туда словечко "тропизм". Чтобы по-настоящему понять эту технологию, нам нужно использовать хотя бы минимум вирусного инженерного языка. Говорят, что вирус со склонностью к нервной ткани, такой как бешенство, проявляет нейротропизм. Тот, который заражает олигодендроциты, такой как вирус JC, будет иметь олигодендротропизм. Некоторая магия, используемая в этом бизнесе, заключается в том, чтобы взять вирусную частицу с ограниченной тканевой экспрессией и изменить ее специфичность путем «псевдотипирования» белков оболочки другого вируса. Псевдотипирование с помощью вируса бешенства, например, дало бы совместимость с нервной тканью, в то время как для вышеупомянутого VSV-G псевдотипирование с белком оболочки гликопротеина G дает возможность инфицировать все типы тканей.
Что касается вируса PSV, используемого группой Задора, нам нужно затормозить терминологический поезд. Вирус псевдобешенства вовсе не псевдотипированный вирус бешенства, созданный для нейротропизма. Псевдо просто происходит из-за того, что PSV у кроликов вызывает такие же симптомы, как и бешенство. В наше нынешнее время повышенной осведомленности о вирусах врожденная видовая специфичность или ее отсутствие имеет большое значение. PSV не является патогеном для человека, и поэтому он не смертелен для нас, как вирус бешенства . Однако если его каким-то образом ввести непосредственно в нейроны, он быстро их убьет. Исследователи смогли сделать PSV безопасным для нейронов, заблокировав его ген IE180, единственный ранний ген, который действует как главный переключатель для цикла репликации PSV.
Без IE180 нет цитотоксичности PRV, продукции вируса или распространения через синапсы. К сожалению, PRV все еще нужно иметь немного этого IE180, чтобы участвовать в эксклюзивных вирусных действиях, таких как ретроградный транспорт. Трюк, который использовала группа Задора, состоял в том, чтобы модифицировать сами нейроны, чтобы они могли создать IE180 для вируса. Таким образом, появляется больше возможностей для контроля не только того, сколько произведено, но и того, какие нейроны могут это сделать. Еще одна важная вещь, которую они сделали, заключалась в том, чтобы сплайсировать различные флуоресцентные белки в промежутках редуцированного вируса, чтобы можно было отслеживать инфицированные нейроны. Это потребовало добавления чего-то, известного как сайт-специфическая рекомбиназа Cre-loxP, для контроля экспрессии флуоресцентного белка. (Cre происходит от «Вызывает рекомбинацию», тогда как сам сайт рекомбинации, loxP, относится к «локусу скрещивания, P1).
Окончательная демонстрация нейронного всемогущества заключалась в том, чтобы затем применить IE180-нулевые мутанты PRV для экспрессии лиганда или светозависимых ионных каналов в нейронах в соответствии с их специфическими проекционными мишенями. Оптогенетический метод, известный как PINP (идентификация нейронных популяций с помощью фотостимуляции), затем можно использовать для активации определенных цепей и регистрации их активности электрофизиологически. Для этого исследователи использовали модифицированный вирус PRV, чтобы вызвать экспрессию оптогенетически активного белка канала, называемого ChR2, из еще одного вирусного вектора. В этом случае вторым вектором был аденоассоциированный вирус, который они вводили в левую слуховую кору мышей.
Теперь о смертельном ударе; когда PRV вводили в правостороннюю кору этих удачливых мышей, стимулированная флуоресценция в левой коре ограничивалась специфическими нейронами 3-5 слоя, которые проецировались на правую сторону. Эти нейроны могут быть зарегистрированы внеклеточно в естественных условиях в ответ на короткие вспышки синего света. Этот экспериментальный уровень техники все еще далек от молекулярно-записанных записей активности или связей. Тем не менее она глубока из-за точного использования инструментов, уже предоставленных природой. Скоординированное развертывание нескольких настраиваемых вирусов оказывается предпочтительной методологией для навигации по мозгу в небольших масштабах и получения VIP-доступа, необходимого для управления им.
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен